Capítulo 5: Fenómenos de superfície (actualizado) - Moodle

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Tensão superficial
O fenómeno da
tensão superficial
faz com que a
superfície de um
líquido se
comporte como
uma membrana.
3
Tensão superficial
!!
A força total sobre a
molécula A é nula.
!!
!!
É puxada de igual forma
em todas as direcções.
A força total sobre a
molécula B não é nula.
!!
Não tem moléculas acima.
4
Tensão superficial
!!
!!
!!
O efeito efectivo da
resultante destas forças
em todas as moléculas da
superfície do líquido faz com
que o líquido se contraia.
A superfície tende a adquirir
a menor área possível.
Exemplo: As gotas de água
tomam a forma esférica visto a
esfera apresentar a menor razão
superfície/volume.
5
Tensão superficial sobre uma agulha
!!
!!
!!
A tensão superficial
permite que uma agulha
de aço flutue embora a
sua densidade seja muito
maior que a da água.
A agulha provoca uma
pequena depressão na
superfície do líquido.
As componentes verticais
das forças exercidas pelo
líquido contrabalançam o
peso da agulha.
6
Equação da tensão superficial
!!
A tensão superficial é definida como a
razão entre a intensidade das forças
exercidas pela superfície do líquido
(interface) e o comprimento ao longo da
qual são exercidas.
ou
Ftot
"=
L tot
no caso de existirem várias interfaces.
!!
Unidade SI: N/m
7
!
Tensão superficial em termos de energia
!!
!!
As unidades da tensão superficial
podem escrever-se em termos de
energia por unidade de área.
Um sistema está em equilíbrio quando a
sua energia é mínima.
8
Medição da tensão superficial
!!
A força é medida quando o
anel se liberta do líquido.
"=
!!
!
!!
Ftot F
=
L tot 2L
A força F é a força exercida
descontado o peso do anel.
O factor 2L resulta das forças
actuarem do lado de dentro e
do lado de fora do anel.
9
Notas sobre a tensão superficial
!!
!!
A tensão superficial dos líquidos diminui
com o aumento da temperatura.
A tensão superficial pode diminuir por
acção de substancias adicionadas ao
líquido e que se chamam surfactantes.
!!
O detergente é um exemplo de
surfactante.
10
11
Caminhando sobre a água
Força total exercida de cada lado
da pata do insecto
Admitindo que a ponta da pata do insecto
é semi-esférica
perímetro da
extremidade da pata
Componente vertical da
força F
Fv
mg
12
Se o insecto não se afunda as forças
em presença têm que se equilibrar
6 patas
Se o insecto tiver uma massa de 0,02 g (pequenito) e um
raio da pata de 0,15 mm obtermos para o ângulo
13
Um olhar mais próximo s/ a superfície
dos líquidos: adesão e coesão
Mercúrio
Água
14
Um olhar mais próximo s/ a superfície
dos líquidos: adesão e coesão
!!
A forma dos meniscos
depende:
!!
!!
!!
das forças de coesão interiores
ao líquido
das forças de adesão entre o
líquido e as paredes dos
contentores
Surgem fenómenos de
capilaridade que resultam
na subida/descida do líquido
pelos contentores (poros)
15
Um olhar mais próximo s/ a superfície
dos líquidos: adesão e coesão
!!
!!
!!
Chamam-se forças de coesão (ou coesivas)
às forças entre as moléculas do líquido.
Chamam-se forças de adesão (ou adesivas)
às forças entre as moléculas do líquido e, por
exemplo, as do contentor (forças entre
moléculas diferentes).
A forma da superfície de contacto entre o
líquido e um meio exterior depende da relação
entre essas forças.
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Superfície de contacto Líquido-Sólido:
caso 1
!!
No caso em que as
forças adesivas são
superiores às forças
de coesão:
!!
!!
O líquido sobe pelas
paredes do contentor.
Diz-se que o líquido
molha a superfície
de contacto.
17
Superfície de contacto Líquido-Sólido:
caso 2
!!
Se as forças de coesão
são superiores às
forças adesivas:
!!
!!
O líquido encurva para
baixo na interface
Diz-se que o líquido
não molha a
superfície de
contacto.
18
Capilaridade
!!
!!
!!
É o fenómeno que resulta
do jogo entre as forças de
tensão superficial e as
forças adesivas.
O líquido sobe no tubo
quando as forças adesivas
são maiores que as forças
de coesão.
Na linha de contacto entre o
líquido e a superfície, as
forças resultantes apontam
para cima.
19
Altura de subida no tubo
" Intensidade da força de tensão/adesão
" Componente vertical da força
" Peso da coluna de líquido
Condição de equilíbrio: Se a coluna está em
equilíbrio, o peso é equilibrado pela componente
vertical das forças de tensão/adesão:
Fv
!"
20
Capilaridade em acção
!!
!!
Quando as forças de
adesão são menores
que as forças de
coesão, o líquido
desce no tubo.
As forças resultantes
apontam para baixo
neste caso.
21
Capilaridade em acção
Pressão diferencial na zona do menisco:
Força exercida no sentido ascendente:
P=pA=( "gh ) (#r 2 )
Componente vertical da força de
tensão/adesão:
!
Equilíbrio:
!"
A profundidade é dada
pela mesma expressão.
22
Ângulo de contacto:
23
Ângulo de contacto: adesão e coesão
!!
!!
Se o ângulo de
contacto, ! < 90°,
as forças adesivas
são maiores que as
forças de coesão.
Se o ângulo de
contacto, ! > 90°,
as forças de coesão
são maiores que as
forças adesivas.
24
Efeito Lotus
Molhabilidade de superfícies
A molhabilidade (wetting) de uma superfície está
relacionada com o ângulo de contacto. Quanto maior o
ângulo de contacto menos molhável é a superfície
Má molhabilidade
!>90º
Superfície hidrófobas:
São superfícies com baixa
(má) molhabilidade
boa molhabilidade
!<90º
Molhabilidade
Completa !=0º
Superfícies hidrófilas:
são superfícies com boa
molhabilidade ou
molhabilidade completa
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Ângulo de contacto, molhabilidade e balaço entre forças
de Adesão / Coesão
Em resumo, temos as seguintes relações entre o ângulo de
contacto, molhabilidade e balanço entre as forças de adesão
coesão
ÂNGULO DE
CONTACTO
(em graus)
GRAU DE
MOLHABILIDADE
FORÇAS DE
ADESÃO
(interacções sólido
líquido)
FORÇAS DE
COESÃO
(interacções
líquido - liquido)
!=0
Molhabilidade
completa
Muito fortes
Muito fracas
0<!<90
Molhabilidade
elevada
Fortes
Fracas
Médias
Médias
90"!<180
Baixa
molhabilidade
Fracas
Fortes
!=180
Molhabilidade
nulas
Muito fracas
Muito Fortes
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A equação de Young-Laplace
A forma de uma gotícula resulta do balanço de forças de
pressão interiores e exteriores à superfície de contacto
líquido – gas e da tensão superficial da gota.
Este balanço é descrito pela
equação de Young –
Laplace:
$1 1'
"p = # & + )
% r1 r2 (
gas
onde r1 e r2 são os raios de
curvatura da gotícula, ", é a
! tensão superficial, e
líquido
"p = plíquido # pgas
27
!
A equação de Young-Laplace
A equação de Young-Laplace permite determinar experimentalmente
a tensão superficial dos líquidos, através do método da gotícula
pendente. Este método consiste em medir os raios (r1 e r2) de
curvatura de uma gota pendente e determinar a deformação da gota
para calcular a pressão diferencial !p="gh
"=
#p
1/r1 + 1/r2
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