La tension superficielle permet à un pengő hongrois en aluminium de ne pas couler au fond du verre d'eau (bien que l'aluminium soit plus dense que l'eau)…
…et aux gerridés de se déplacer à la surface d'une mare.

La tension superficielle est un phénomène physico-chimique lié aux interactions moléculaires d'un fluide. Elle résulte de l'augmentation de l'énergie à l'interface entre deux fluides. Le système tend vers un équilibre qui correspond à la configuration de plus basse énergie, il modifie donc sa géométrie pour diminuer l'aire de cette interface. La force qui maintient le système dans cette configuration est la tension superficielle.

Une conséquence est que pour augmenter l'aire de l'interface, il faut appliquer une force suffisante, sinon le système reste dans sa configuration de surface minimale. Cet effet permet par exemple à certains insectes de marcher sur l'eau, à un objet léger de se maintenir à la surface d'un liquide, à la rosée de ne pas s'étaler sur les pétales de fleurs, et explique la capillarité.

Description

Une goutte d'eau sur un tissu Damas.

À la surface d'un milieu dense (liquide ou solide) ou à l'interface entre deux milieux denses, la matière n'est pas, localement, rigoureusement dans le même état qu'au sein des milieux denses : les molécules présentes à l'interface interagissent avec celles de l'autre milieu, alors que celles situées au sein de la matière n'interagissent qu'avec leurs semblables. L'interaction entre les deux milieux produit une certaine instabilité (par comparaison avec l'intérieur) : l'état local à l'interface possède une énergie légèrement supérieure. À la surface ou interface est donc associée une certaine énergie par unité de surface (exprimée en joules par mètre carré — J/m2) dont l'origine est la force de cohésion entre molécules identiques. Un point de vue équivalent est qu'il existe, au voisinage de la surface ou interface, une certaine contrainte en tension dans le milieu ; c'est une force par unité de longueur, exprimée en N/m.

On parle donc indifféremment d'énergie ou de tension (puisque J/m² = N/m).

On a l'habitude, pour l'interface entre deux milieux denses, de parler de tension interfaciale, d'énergie interfaciale ou d'énergie d'interface. Entre un milieu dense et un gaz, on parle souvent plutôt de tension superficielle, de tension de surface ou d'énergie de surface.

Cet effet permet par exemple aux insectes de marcher sur l'eau, à un objet léger de se maintenir à la surface d'un liquide (illustration ci-contre), à la rosée de ne pas s'étaler sur les pétales de fleurs, et explique la capillarité. La tension superficielle explique aussi la formation des bulles de savon et la coalescence des gouttes ou des bulles.

Exemples simples et expériences

Le phénomène de la tension superficielle est exploité naturellement par des insectes pour rester à la surface de l'eau. Un certain nombre d'expériences simples permettent de mettre en évidence la tension superficielle. Comme on le voit sur la photo ci-dessus, la pièce qui normalement, vu la densité de l'aluminium, devrait tomber au fond du verre reste à la surface du liquide. Une autre expérience peut être réalisée avec un trombone posé délicatement à la surface de l'eau.

Forme d'une goutte

Dans le cas d'une goutte d'un liquide A au sein d'un fluide B, l'énergie est minimale lorsque la surface est minimale. Or, la forme correspondant à la plus petite surface possible enserrant un volume donné est une sphère. C'est pour cela que les gouttes d'eau ont une forme sphérique. En réalité, la gravité joue également pour déterminer la forme de la goutte. Voir l'article sur les gouttes.

Coalescence de deux gouttes

Coalescence de deux gouttes
Coalescence de deux gouttes : la surface totale diminue lorsque les deux gouttes fusionnent.

Si deux gouttes entrent en contact, elles peuvent fusionner et ainsi former une seule goutte (coalescence), toujours pour minimiser l'énergie totale, produit de la tension superficielle par la surface totale. En effet, la surface totale du liquide est ainsi amoindrie.

Exemple de calcul pour deux gouttes de même rayon  :

  • Leur volume est proportionnel au cube de leur rayon .
    Le volume de la goutte résultante est donc proportionnel à et a donc un rayon égal à .
  • Leur surface est égale à chacune, soit au total.
    La goutte résultante, quant à elle, a une surface , donc moindre que celle des deux gouttes initiales.

Les gouttes peuvent se séparer en apportant de l'énergie (sous forme cinétique) dans une partie du liquide pour contrecarrer la tension superficielle. Cette énergie peut être apportée par une différence locale de température, ce qui modifie localement la pression hydrostatique et produit une dilatation locale d'une partie du liquide, si cette dilatation est plus rapide que la propagation de température par conductivité thermique.

Ménisque de l'eau dans un verre

Lorsque l'on met de l'eau dans un verre, elle remonte d'environ un millimètre le long de la paroi en adoptant une forme concave ; ceci est particulièrement visible dans le cas d'un tube à essai (environ 1 cm de diamètre). C'est ce que l'on appelle un ménisque. À l'inverse, il est possible de faire dépasser la surface de l'eau du bord du verre sans qu'elle ne s'écoule en dehors de celui-ci, la surface de l'eau adopte une forme convexe.

Goutte qui pend sans tomber

C'est la tension superficielle qui retient la goutte au support ; la masse de la goutte qui tombe d'un compte-goutte est donnée par la loi de Tate.

Action de la tension superficielle sur un fil souple

Explosion d'une bulle
  • Couper une bouteille en plastique,
  • Poncer son bord de manière à faire disparaître les imperfections de la découpe,
  • Percer deux trous diamétralement opposés à 5 mm du bord,
  • Placer un fil légèrement détendu en travers de l'ouverture,
  • Poser l'ouverture dans un récipient contenant de l'eau dans laquelle on a dilué un peu de liquide vaisselle, afin de créer une bulle,
  • Rompre la partie inférieure de la bulle pour montrer que la force de tension superficielle qui minimise la partie supérieure est assez grande pour soulever le fil.

Propulsion à l'huile ou au savon

">Fichier:Tension de surface Demonstration expérimentale.ogv Lire le média
Tension de surface démontrée sur un film de savon
Bateau à réaction

On ne peut pas rééditer l'expérience sans changer l'eau contenue dans le récipient, car une goutte de liquide vaisselle abaisse tellement la tension superficielle qu'une deuxième goutte ne peut pas la diminuer suffisamment.

Fontaine de soda

Dans un soda, les molécules du gaz carbonique dissout sont solvatées, les molécules d'eau forment un bouclier autour du CO2 ; si l'on secoue la bouteille, on vainc la tension superficielle du bouclier et les molécules de CO2 se regroupent pour former des bulles ; ou bien en utilisant une poudre, les petits grains abaissent la tension superficielle, on peut par exemple mettre des chewing-gums (on obtient ainsi l'Effet geyser du mélange Mentos-boisson gazeuse).

Autres phénomènes

Mesure de la tension superficielle

Il est capital dans l'industrie de connaître la tension superficielle d'un matériau. En effet, plus celle-ci est élevée plus le matériau sera apte à être imprimé ou collé par exemple. Au contraire, plus le matériau a un niveau de tension de surface bas, plus il servira de filtre (hydrophobe voire oléophobe). La notion de tension superficielle est omniprésente notamment dans les industries du plastique, de la céramique ou du métal:

Définition

Cadre déposé à la surface d'un fluide. On applique une force sur la paroi mobile pour augmenter la surface délimitée par le cadre.

La tension superficielle est définie à partir de la force qu'il faut exercer pour augmenter la surface d'un système. Supposons que l'on prenne un récipient contenant un fluide, à sa surface, on dispose un cadre rectangulaire composé de trois parois fixes et d'une mobile. On applique ensuite une force tangentielle à la surface pour augmenter la surface délimitée par le cadre. On constate que pour un fluide donné l'intensité de la force est directement proportionnelle à la longueur . L'intensité de cette force peut donc s'écrire:

Le coefficient 2 est lié au fait que l'interface a deux côtés. est la tension superficielle, elle s'exprime en N/m et ne dépend que du fluide considéré. La mesure de cette force est donc un premier moyen de détermination de .

Article principal : Pression de Laplace.
Bilan des forces de tension superficielle sur une surface courbe.

Si on considère une surface libre plane, le bilan des forces de tension superficielles sur la circonférence de la surface est nul. Dans le cas où la surface est courbée:

La force résultante dépend des rayons de courbure de la surface et selon les deux axes orthogonaux et . cette force est contrebalancée par une pression que l'on nomme pression de Laplace:

La détermination de cette différence de pression entre les deux côtés de l'interface est donc un second moyen de détermination de la tension superficielle.

Méthodes de mesure

Voici quelques méthodes pratiquées couramment.

.

Connaissant la masse de la goutte, on peut remonter à la tension de surface .

Valeurs typiques

Tension superficielle pour différents liquides en contact avec l'air
Les pourcentages des mélanges sont des pourcentages massiques
Liquide Température (°C) Tension de surface γ (10−3 N·m−1)
Acide acétique 20 27,6
Acide acétique (40,1 %) + Eau 30 40,68
Acide acétique (10,0 %) + Eau 30 54,56
Acétone 20 23,7
Diéthyl éther 20 17,0
Éthanol 20 22,27
Éthanol (40 %) + Eau 25 29,63
Éthanol (11,1 %) + Eau 25 46,03
Glycérol 20 63
Isopropanol 20 21.7
Mercure 15 487
Mercure 20 436
Méthanol 20 22,6
Octane 20 21,8
Eau 0 75,64
Eau 20 72,8
Eau 25 71,97
Eau 37 70
Eau 50 67,91
Eau 100 58,85

Les valeurs suivantes sont tirées du Polycopié de mécanique des fluides d'Henri Broch :

Source : Flow Science inc.

Mécanisme

Interface liquide/gaz

Au sein d'un fluide (liquide ou gaz), les molécules exercent entre elles des forces d'attraction ou de répulsion : force de Van der Waals (attraction), force électrostatique (attraction ou répulsion, liaison hydrogène). Le potentiel d'interaction généré par ces forces intermoléculaires contribue à diminuer l'énergie du fluide, et donc à le stabiliser. Par exemple, dans le cas de l'eau, ce sont les liaisons hydrogène qui confèrent à l’eau sa force de cohésion. La différence importante entre un gaz et un liquide est que la densité du premier est 1000 fois plus faible que celle du second, par conséquent les molécules sont beaucoup plus éloignées les unes des autres et le gain en énergie généré par les forces intermoléculaires est beaucoup plus faible (le cas limite est le modèle du gaz parfait dans lequel les molécules n'ont aucune interactions).

Illustration des forces d'attraction entre les molécules d'un liquide en contact avec un gaz

Un corps pur liquide homogène au repos forme une phase. Au sein de ce liquide, chaque molécule génère des forces d'interactions dans toutes les directions de façon totalement isotrope avec les molécules voisines: la résultante de ces forces est donc nulle. Si on se place à l'interface entre un liquide et un gaz, l'énergie due aux forces d'attractions entre les molécules du liquide et celles du gaz est négligeable car le gaz a une densité beaucoup plus faible que le liquide, les interactions intermoléculaires entre les molécules du liquide sont donc beaucoup plus fortes que les interactions entre les molécules du liquide et celles du gaz.

Ainsi, dans un liquide, toutes les molécules n'ont pas la possibilité de faire le même nombre de liaisons avec d'autres molécules du liquide. Les molécules de l'intérieur du liquide génèrent des interactions dans toutes les directions tandis que les molécules de la surface, exposées au gaz, ne se lient qu'avec les molécules du liquide situées à côté sur la surface ou en dessous d'elles dans le liquide. La résultante des forces pour les molécules de la surface est donc dirigée vers l'intérieur du liquide. Cette force est contrebalancée par une pression dans le liquide qui est supérieure à celle dans le gaz.

Du point de vue énergétique, deux molécules en interaction diminuent l'énergie du fluide localement. Les molécules à la surface du liquide ont moins l'occasion de faire baisser leur énergie par des liaisons que les molécules du centre du liquide. La surface du liquide est donc une zone plus énergétique que l'intérieur. Comme tout système cherche à avoir une énergie minimale, cette surface est réduite au minimum. En apesanteur, le liquide forme une sphère, qui offre une surface minimale à volume constant. Sur Terre, sous l'effet de la pesanteur, le liquide forme une goutte, et suivant son affinité avec la surface sur laquelle elle est posée, elle s'étale plus ou moins en formant un dôme, un peu aplati en raison de la gravité.

La différence d'énergie génère donc des forces qui permettent de maintenir le fluide dans une configuration géométrique donnée, ce sont les forces capillaires qui sont tangentes à la surface. Si on considère une portion de surface, cette force s'exerce sur le contour de la surface et la maintient dans une position donnée. cette force s'exprime donc par l'équation , étant la tension superficielle et la longueur de contour considérée.

Pénétrer dans le fluide nécessite donc une certaine énergie, ce qui explique le fait que des insectes (tels que les gerridés) ou des objets légers (trombones) puissent être posés sur la surface de l’eau sans qu’ils coulent, et que l’on puisse verser de l’eau dans un verre, jusqu’à ce que le niveau de l’eau dépasse les bords du verre, sans pour autant qu’elle ne coule.

Dans le vide, on assiste au même phénomène : une partie du liquide s'évapore (voir l'article Pression de vapeur saturante). Ainsi, la couche de gaz à faible pression qui environne la surface du liquide joue le même rôle.

Dans le cas particulier d'une bulle, le liquide se présente sous la forme d'une pellicule très fine, soumise à une pression du gaz intérieur un peu plus élevée qu'à l'extérieur. Si les forces d'attraction au sein du liquide sont faibles, la pellicule ne tient pas. À l'inverse, si ces forces sont fortes, la pellicule tient bien et a un comportement élastique (bulle de savon).

Interface liquide/liquide

Lorsque deux liquides A et B sont miscibles, ils forment une seule phase. Par contre, s'ils sont non miscibles, ils forment deux phases distinctes.

S'ils sont non miscibles, c'est que les molécules se repoussent. Les molécules situées à l'interface sont donc soumises :

On voit donc que la résultante des forces est située vers l'intérieur de chacun des liquides dans tous les cas.

La forme de l'interface est donc déterminée par

C'est le cas de l'eau et de l'huile, de la vinaigrette :

Modélisation

La tension superficielle se mesure en newtons par mètre (N·m−1). On la définit comme la force qu'il faut appliquer par unité de longueur le long d'une ligne perpendiculaire à la surface d'un liquide en équilibre pour provoquer l'extension de cette surface, ou comme le travail exercé par cette force par unité de surface. L'unité de tension superficielle (N·m−1) est équivalente à des joules par mètre carré (J·m−2), qui correspondent à une unité d'énergie de surface. On peut définir cette énergie d'interface comme étant le surplus d'énergie chimique par rapport au cas où ces molécules se trouveraient à l'intérieur du liquide et non à sa surface.

Le système tend à minimiser l'énergie de surface.


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