La tensione superficiale

Nel recipiente che lo contiene, un liquido si dispone alla minore altezza possibile, formando una superficie piana.

Si capisce che un liquido, privo com'è di struttura rigida (non ha forma propria) reagisce alla gravità avvicinandosi quanto più possibile al centro della terra.

Le molecole di un liquido sono incollate le une alle altre e per estrarrre una molecola dal corpo liquido e diventare gas richiede energia.

L'energia che possiede una molecola che fa parte della superficie di separazione è intermedia fra quella posseduta nel liquido e quella posseduta nella molecola libera (gas). La sua energia diminuirebbe se essa penetrasse nel corpo del liquido, quindi le molecole in superficie sono soggette ad una forza che tende a risucchiarle dentro il liquido.

Le molecole, che istante per istante, si trovano sulla superficie del liquido risentono dell'attrazzione delel loro compagne non compensate fuori dal liquido. Tale attrazione ha una risultante verso l'interno, ragion per cui il liquido tende a contrarre la propria area di superficie al minimo valore possibile.

Fra le forme geometriche, la sfera è quella che presenta il minimo rapporto area/volume; per questo si formano gocce quasi sferiche là dove il capillare limita meccanicamente il volume del liquido.

La ragione per la quale i liquidi tendono ad assumere la minima superficie è che ciò rende

massimo il numero delle molecole localizzate all'interno del liquido e minimo quello delle molecole che risiedono sulla superficie:

La forza diretta verso l'interno, nel caso delel goccioline, tende a contrarre la superficie. Possono sussistere altre forze capaci di distruggere tale forma ideale, e in particolare le forze gravitazionali.

Si capisce, allora, che per estendere l'area sferica di superficie che il liquido ha assunto spontaneamente, occorre effettuare un lavoro e tale lavoro e proporzionale all'area della superficie formatasi:

dove g è la tensione superficiale cioè il rapporto tra il lavoro di estensione della superficie e la variazione dell'area.

Se la superficie del liquido non è libera (cioè esposta all'atmosfera o al proprio vapore, come nel caso precedente) ma funge da confine (interfaccia) fra il liquido stesso e un solido, esempio recipiente, le molecole della superficie sono soggette sia alla coesione (verso l'interno) sia all'adesione (verso il solido). In questo caso la superficie di un liquido a contatto con una parete solida non è mai piana, ma assume una delle due configurazioni:

Diciamo che un liquido bagna il solido se l'adesione prevale sulla coesione, come ad esempio nel caso dell'acqua e dell'alcol a contatto con il vetro.

Nel caso contrario (ad es. mercurio su vetro) diciamo che il liquido non bagna il solido.

Provate ad immergere un capillare di vetro nell'acqua e nell'alcol vedrete il liquido salire sul tubo:

innalzamento capillare. L'acqua assume dentro il tubo una superficie che rivolge la concavità verso l'esterno (menisco concavo)

Se fate la stessa cosa con il mercurio, vedrete il metallo liquido abbassarsi (abbassamento capillare) e forma il menisco convesso.

Bolle, gocce e pioggia

Col termine di bolle intendiamo tanto le bolle ordinarie, nelle quali gas ed aria si trovano racchiuse entro una pellicola sottile, quanto le cavità che si aprono in un liquido si riempono di vapore.

Le gocce, invece, sfere di liquido in equilibrio con il suo vapore.

Immaginiamo un abolla di vapore che si formi in seno al liquido. Prendiamo in considerazione le forze che tendono a dilatare la bolla e quelle che tendono a contrarla. All'equilibrio tale forze sono della medesima entità. L'equilibrio delle bolle si deve al fatto che la tendenza a ridursi della superficie è compensata dall'aumento della pi. Chimiamo con pi la pressione che agisce dentro la bolla ed r il raggio, la forza totale che agisce all'interno è:

La forza agente dall'esterno è dovuta alla somma della pressione esterna pe e della tensione superficiale:

Equagliando le forze opposte:

si ottiene l'equazione di Laplace

La superficie curva, come il menisco, separa due regioni a pressione differente; quella che grava sul lato concavo supera di 2g/r quella che grava sul lato convesso

Ma lo scarto tende ad annullarsi col tendere all'infinito del raggio di curvatura (condizione in cui la superficie si appiattisce).

Nelle bolle di piccole dimensioni dove il raggio di curvatura è assai breve, la differenza di pressione è assai grande. Per fare un esempio, si considere l'esistenza di una bollicina (0,1mm di raggio) in un bicchiere di champagne comporta una differenza di pressione (pi - pe) = a 1400 N/m2 che basterebbe a sostenere circa 10 cm di acqua.