Tension superficielle

Pourquoi une goutte tend-elle à s’arrondir ?

À l’intérieur d’un liquide, une molécule est entourée de voisines dans toutes les directions. À la surface, l’environnement est dissymétrique. Les interactions cohésives conduisent la surface à tendre vers une aire aussi petite que possible dans les conditions données. Une goutte libre tend donc vers une forme proche de la sphère, qui offre une petite surface pour un volume donné.

Une « peau » à la surface ?

On compare parfois la surface de l’eau à une membrane élastique. L’image est utile pour comprendre pourquoi une aiguille posée avec précaution ou certains insectes peuvent être soutenus par la surface. Mais l’eau ne possède pas une véritable peau solide : l’effet vient des forces moléculaires et de l’énergie associée à l’interface.

Cohésion et adhésion

La cohésion désigne ici l’attraction entre molécules du liquide ; l’adhésion concerne les interactions entre le liquide et une autre surface. Leur compétition explique pourquoi l’eau forme des gouttes sur certaines surfaces mais s’étale davantage sur d’autres.

Pourquoi le savon change-t-il le comportement de l’eau ?

Les tensioactifs, comme ceux présents dans les savons et détergents, s’accumulent aux interfaces et peuvent diminuer la tension superficielle de l’eau. L’eau mouille alors plus facilement certaines surfaces. Cette propriété contribue à l’efficacité du lavage, en complément d’autres mécanismes comme l’interaction des tensioactifs avec les graisses.

Comment mesure-t-on la tension superficielle ?

On peut définir la tension superficielle comme une force par unité de longueur, exprimée en newtons par mètre (N/m), ou de manière équivalente comme une énergie par unité de surface dans le cadre thermodynamique approprié. Sa valeur dépend du liquide et de la température.

Quel lien avec la capillarité ?

Dans un tube très fin, la tension superficielle et les interactions entre le liquide et la paroi peuvent faire monter ou descendre le liquide. C’est l’action capillaire. La forme courbe de la surface, appelée ménisque, renseigne également sur la compétition entre cohésion et adhésion.

Tous les liquides n’ont pas la même tension superficielle. Elle dépend de leurs interactions moléculaires et varie avec la température. Comparer l’eau, un alcool et une solution contenant un tensioactif montre qu’un même phénomène macroscopique peut changer fortement lorsque la composition change. Ces différences sont importantes pour le mouillage, les revêtements, les encres et de nombreux procédés industriels.

Température et nature du liquide

Pour un volume donné, la sphère est la forme qui possède la plus petite aire de surface. Lorsque les forces de surface dominent et que la gravité est peu importante, une goutte tend donc à s’arrondir. Les grosses gouttes sont davantage déformées par leur poids ; sur une table, l’adhésion à la surface modifie aussi fortement leur forme.

Pourquoi de petites gouttes sont-elles presque sphériques ?

L’essentiel

La tension superficielle traduit les interactions moléculaires à l’interface d’un liquide. Elle contribue à la forme des gouttes, au soutien de petits objets ou organismes à la surface et aux phénomènes de mouillage et de capillarité. Le modèle de la « peau » est pratique, à condition de se rappeler qu’il s’agit d’une interface liquide, pas d’une membrane solide.