FENOMENI DI SUPERFICIE
La coesione dei liquidi è
il risultato della attrazione tra le molecole. A causa di queste attrazioni i
liquidi hanno superfici ben definite che, come membrane tese o fogli di gomma,
tendono ad assumere conformazioni di area minima. Oltre alle forze di attrazione
reciproca, le molecole di un liquido sono soggette ad interazioni attrattive o
repulsive con le molecole di altre
sostanze. Le proprietà di coesione dei liquidi possono essere modificate
dall'aggiunta di piccole quantità di altre sostanze.
La tensione
superficiale t è una proprietà di qualsiasi liquido che si manifesta nella tendenza, se
non sottoposto a forze esterne, ad assumere la più piccola superficie
possibile, ed è definita come la forza per unità di lunghezza agente su una
qualsiasi linea tracciata su una superficie e che si oppone alla separazione in
due della superficie lungo tale linea. La tensione superficiale può anche
essere considerata come l'energia potenziale, per unità di superficie, di
formazione della superficie. Se immergiamo i un liquido un telaio costituito da
un filo metallico a forma di U, un cursore di peso w , e un
peso sospeso w , una sottile lamina di liquido riempie l'area
racchiusa tra i fili. Se si sceglie in modo adatto il peso totale w=w +w ,, le due superfici della lamina esercitano una
forza F uguale e contraria al peso e il cursore rimane fermo; così la forza F
dovuta alla tensione superficiale è uguale di intensità a w. Dato che la
tensione superficiale è la forza per unità di grandezza esercitata dalla
superficie, se il cursore ha una lunghezza l, la forza verso l'alto dovuta alle
due superfici è F=2tl, quindi t=F/2l. se la lamina viene
allungata, le molecole all'interno del fluido si muovono verso la superficie, e
l'area della superficie viene aumentata; dal momento che la forza rimane la
stessa al variare dello spessore del liquido, la forza deve essere attribuita
alla superficie della lamina.
La superficie di un
liquido a contatto con una superficie solida forma un certo angolo acon la superficie solida determinato dalla
competizione tra le tensioni superficiali dei materiali, da quanto è liscia e pulita
la superficie solida e da quanto è puro il liquido. Con a<90°, il liquido si abbasserà, con a>90° il liquido si abbasserà, con a=90°, il liquido non si abbasserà né si alzerà;
questo è il fenomeno della capillarità, determinando l'altezza di una
colonna liquida. Con a<90°, la forza risultante verticale Fv, diretta vero l'alto è la
componente verticale della tensione superficiale moltiplicata per la lunghezza
l della superficie del liquido a contatto con il tubo, e dato che l è uguale
alla circonferenza : Fv=2prt cosa Il volume della colonna del liquido fino al menisco è V=pr h, e il suo peso è w=rgV=grpr h. Il liquido si innalza
fino a che Fv=w, ossia h=(2tcosa rgr)
Tensioattivi sono
tutte le sostanze che hanno la proprietà di modificare la tensione superficiale
di un sistema. Tale proprietà è conferita a queste sostanze dalla presenza,
nelle loro molecole, di regioni o gruppi idrofili insieme a regioni idrofobe.
Un esempio classico di tensioattivi è costituito dai saponi.
La relazione tra la differenza
di pressione attraverso una membrana elastica o una lamina di liquido chiusa e
la tensione nella membrana o nella lamina, è stabilita dalla legge di
Laplace.
La pressione, al di fuori della parete della membrana sferica riempita di
fluido alla pressione Pi, è Po e la parete può esercitare una forza per unità
di lunghezza, ovvero una tensione di parete t. Sulla emisfera la forza totale verso sinistra
dovuta alla tensione di parete è il prodotto di t e della circonferenza 2pr della semisfera , cioè 2prt. Le forze dovute alla pressione sono
perpendicolari alla superficie in ogni punto. Tutte le componenti di queste
forze si bilanciano tra loro, tranne quelle dirette verso destra che si sommano
dando luogo ad una forza risultante pari al prodotto della differenza di
pressione per l'area di proiezione della semisfera, e dato che le due forze
devono bilanciarsi per l'equilibrio, avremo che 2prt=(P1-Po)pr , ovvero P1-Po=2t/r, che è la legge di Laplace per una membrana sferica. Per un tubo cilindrico
di raggio r, la legge di Laplace è P1-Po=t/r; in fisiologia la pressione P1-Po
tra la parete interna e quella esterna di un vaso sanguigno è chiamata pressione
transmurale, sostanzialmente diversa dalla pressione che mantiene in moto
il fluido nel vaso.
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