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Tensione superficiale

Tensione superficiale

La tensione superficiale è la tendenza dei liquidi ad assumere la forma con la minor superficie possibile.

Fisica

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Forza di coesione

  • goccia d'acqua - Una goccia d'acqua senza alcun contatto con una sostanza solida acquisisce una forma sferica, in quanto questa è la forma con la superficie minima per un dato volume.

La tensione superficiale è un fenomeno fisico dovuto alle interazioni attrattive tra le particelle. La forza di attrazione tra molecole identiche è denominata forza di coesione. All'interno del liquido le forze di coesione sono in equilibrio, pertanto le molecole interne hanno uno stato a bassa energia. Tuttavia, le molecole situate alla superficie hanno uno stato energetico superiore, poiché le forze di coesione non sono in equilibrio. Secondo il principio di minima energia, le molecole dello strato superficiale sono attratte costantemente verso l'interno del liquido. Come risultato, tendono ad assumere la forma con la minor superficie di contatto possibile. Nel caso di una goccia in caduta libera questa forma è la sfera.

Il fenomeno della tensione superficiale è più complesso nel caso in cui un liquido interagisce con le molecole di una superficie solida. La forza di attrazione tra le molecole di una superficie solida e quelle di una una superficie liquida è chiamata forza di adesione.

La bagnabilità è una proprietà caratteristica per ciascuna coppia liquido-solido. Questa caratteristica dipende dalle intensità relative delle forze di coesione e di adesione delle molecole del liquido. Se la forza di adesione è forte, il liquido si sparge sulla superficie solida, ovvero è in grado di bagnarla. Se la forza di adesione è debole, il liquido a contatto con la superficie solida può ridurre la propria superficie. In questo caso la sua bagnabilità è scarsa. Il mercurio, ad esempio, non è in grado di bagnare la superficie di un vetro.

La bagnabilità dei liquidi determina li loro comportamento in tubi sottili detti capillari. Il principio dei vasi comunicanti non vale per i liquidi in vasi capillari, ovvero il liquido non è allo stesso livello in questi tubi. In questo caso si può osservare il fenomeno della capillarità. In un capillare di vetro l'acqua presenta un innalzamento del livello, mentre il mercurio un abbassamento del livello rispetto a quello del liquido nel recipiente esterno.
L'innalzamento capillare si verifica quando il liquido bagna la parete del tubo capillare, ovvero quando le forze di adesione tra il tubo e il liquido sono più forti delle forze di coesione fra le molecole di liquido. Nel caso contrario avviene una depressione capillare.

La tensione superficiale e la capillarità svolgono un ruolo estremamente importante in natura. Alcuni insetti, ad esempio i pattinatori di stagno, non sarebbero in grado di muoversi sulla superficie di specchi d'acqua senza sfruttare il fenomeno della tensione superficiale. Le zampe di questi insetti acquatici sono dotate di leggera peluria che fornisce una piccola superficie, rendendole così non bagnabili. Grazie alla tensione superficiale, sotto le zampe si produce una curvatura sulla superficie dell'acqua che agisce come una membrana elastica in grado di sostenere il peso di questi insetti che, lanciandosi dalla da questa superficie, possono raggiungere una velocità fino a 90 cm/s.

La capillarità si verifica anche nel sistema circolatorio delle piante. Questo fenomeno permette ai vasi delle piante di trasportare l'acqua dalle radici alle parti superiori della pianta.

Forza di adesione

  • goccia d'acqua
  • vetro

Bagnabilità

  • goccia d'acqua
  • goccia di mercurio
  • vetro

Capillarità

  • acqua - L'acqua bagna la superficie del vetro, pertanto l'acqua nel bicchiere sale nel tubo capillare vincendo la forza di gravità.
  • mercurio - Il mercurio non bagna la superficie del vetro, pertanto il livello del mercurio liquido nel tubo capillare sarà inferiore al suo livello nel bicchiere.
  • capillare di vetro

Animazione

  • goccia d'acqua - Una goccia d'acqua senza alcun contatto con una sostanza solida acquisisce una forma sferica, in quanto questa è la forma con la superficie minima per un dato volume.
  • goccia d'acqua
  • molecole d'acqua in superficie - Sono attratte dalle particelle confinanti solo dall'interno del liquido. La tensione superficiale è prodotta dalla tendenza di queste molecole a spostarsi verso il centro della goccia.
  • molecola d'acqua interna - Sono attratte dalle particelle confinanti da tutte le direzioni.
  • goccia d'acqua
  • vetro
  • goccia d'acqua
  • goccia di mercurio
  • ˂90°
  • ˃90°
  • angolo di contatto - Viene misurata nel luogo d'incontro di un'interfaccia liquido-vapore con un'interfaccia liquido solido. Mostra il grado nel quale un liquido può bagnare una superficie solida. Se l'angolo di contatto è inferiore a 90°, il liquido bagna la superficie solida. Se l'angolo è superiore a 90°, il liquido non bagna la superficie solida.
  • vetro
  • acqua - L'acqua bagna la superficie del vetro, pertanto l'acqua nel bicchiere sale nel tubo capillare vincendo la forza di gravità.
  • mercurio - Il mercurio non bagna la superficie del vetro, pertanto il livello del mercurio liquido nel tubo capillare sarà inferiore al suo livello nel bicchiere.
  • capillare di vetro
  • acqua - L'acqua bagna la superficie del vetro, pertanto l'acqua nel bicchiere sale nel tubo capillare vincendo la forza di gravità.
  • mercurio - Il mercurio non bagna la superficie del vetro, pertanto il livello del mercurio liquido nel tubo capillare sarà inferiore al suo livello nel bicchiere.
  • menisco concavo
  • menisco convesso
  • pattinatore di stagno - Vive sulla superficie di specchi d'acqua stagnante come stagni, laghi e fiumi a flusso lento. Questo insetto veloce si nutre di insetti caduti nell'acqua.
  • pelo - La superficie in cui i peli delle zampe dell'insetto toccano l'acqua è molto piccola, in modo da ridurre la forza di adesione tra le zampe e la superficie dell'acqua. Poiché la forza di adesione è debole, l'acqua non è in grado di bagnare le zampe dell'animale.

Pattinatore di stagno

  • pattinatore di stagno - Vive sulla superficie di specchi d'acqua stagnante come stagni, laghi e fiumi a flusso lento. Questo insetto veloce si nutre di insetti caduti nell'acqua.

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