Au sein d'un liquide, les molécules sont soumises à des forces
d'attraction qui assurent leur cohésion. Les molécules situées à la
surface du liquide sont défavorisées, puisqu'elles ne bénéficient que
de la moitié des interactions dont bénéficient celles qui sont situées
au sein du liquide. Le liquide tendra à minimiser sa surface. Augmenter
sa surface nécessitera d'y affecter une énergie supplémentaire pour
compenser la diminution des interactions.
Le travail requis pour augmenter la taille de la surface d'une phase
est appelé tension superficielle. En tant que mesure du travail par unité
de surface ou de la force par longueur mouillée, la tension superficielle
s'exprime en SI en [N/m] ou plus pratique, son sous-multiple [mN/m]. Elle est désignée par le symbole σ (sigma minuscule).
Unités de mesure
Les méthodes de
mesure les plus courantes consistant à mesurer une force et à la
rapporter à une longueur de contact, il est naturel d'exprimer la
tension superficielle par une force divisée par une longueur:
en SI: [N/m]
en CGS: [dyn/cm]
en IMP: [lbf/in]
Le
phénomène de capillarité résultant d'une différence d'énergie à la
surface du liquide, on peut exprimer la tension superficielle par une
énergie par unité de surface:
en SI: [J/m²]
en CGS: [erg / cm²]
L'équation
aux dimensions des deux mode d'expression précédents conduit à exprimer
la tension superficielle par une masse divisée par un temps au carré
[M/T²]. Il est donc possible de l'exprimer également ainsi, même si le
sens physique d'une telle expression est difficile à entrevoir:
en SI: [kg/s²]
en CGS: [g/s²]
en IMP: [lb/s²]
Méthodes
de mesure
Source:
www.kruss-scientific.com
Méthode
de l'anneau de Du Noüy
Permet
de mesurer la tension de surface d'un liquide et la tension
interfaciale entre deux liquides.
Un anneau d'un métal parfaitement mouillable (du platine irridié par
exemple) est retiré progressivement de la surface du liquide à mesurer.
Une lame de liquide se forme entre l'anneau et la masse du liquide. On
mesure la force nécessaire qui est rapportée à la somme (L) des
circonférences intérieure et extérieure de l'anneau.
La force maximale (F
max) est obtenue lorsque la
lame de liquide est perpendiculaire au plan de l'anneau. Il y a alors
déchirement de la lame (arrachement de l'anneau).
La tension superficielle est fournie par la relation:
σl = Fmax ⁄
L ⁄ cos(θ)
si l'anneau est parfaitement mouillable, l'angle de contact θ
= 0 deg et cos(θ)=1
Cette méthode ne permet que des mesures de tension
superficielles statques.
Méthode
de la plaque selon Wilhelmy
Permet
de mesurer la tension de surface d'un liquide et la tension
interfaciale entre deux liquides.
Une plaque verticale est mise en contact avec la surface d'un liquide
ou une interface liquide. Elle est alors soumise à une force dont
l'intensité est liée à la tension superficielle du liquide et l'angle
de contact avec la plaque par la relation:
σl = F ⁄
L ⁄ cos(θ)
si le matériau de la plaque est parfaitement mouillable, l'angle de
contact θ = 0 deg et cos(θ)=1
Contrairement à la méthode de l'anneau, la plaque est
maintenue immobile et seule la force exercée par le liquide est
mesurée, permettant une mesure continue.
Cette méthode permet les mesures de:
- la tension superficielle du liquide si la plaque est
parfaitement mouillable ou si l'angle d contact est connu
- l'angle de contact caractéristique du matériau de la
plaque, si la tension superficielle du liquide est connu
- la tension superficielle dynamique (évolution de tension
superficielle ave le temps)
Méthode
de la tige
Identique à la méthode de la plaque dans son principe, la mesure est
effectuée avec une tige cylindrique et un volume liquide plus faible.
La longueur mouillée étant plus petite, la force mesurée est moindre
conduisant à une plus faible résolution.
Méthode
de la pression de bulle
Un
capilaire plongé dans le liquide à mesurer et alimenté en gaz, produit
des bulles.
La pression interne des bulles en formation est liée à leur rayon de
courbure par la relation de Young-Laplace:
p = 2σl ⁄ r
Les bulles en formation voient leur rayon de courbure d'abord diminuer,
puis augmenter jusqu'à ce qu'elles se détachent. La pression interne du
gaz suit une évolution simultannée, d'abord augmentant, puis diminuant.
Le maximum de pression est atteint lorsque le rayon de courbure est
égal au rayon de l'orifice du capillaire "r
c".
Ce dernier étant connu, on en déduit la tension superficielle du
liquide "σ
l" de la mesure de la pression
maximale "p
max" atteinte. La pression mesurée
doit être corrigée de la pression hydrostatique "p
0"
exercée par le liquide environnant.
σl = (pmax
- p0)rc
⁄ 2
Cette méthode est utilisable pour le contrôle en continu de la qualité
de fluides ou de bains de procédés.
Méthode
du volume de goutte
Un
capillaire vertical, immergé dans un fluide, est alimenté en liquide à
mesurer. L'orifice du capillaire est dirigé vers le haut si le fluide à
mesurer est plus léger que que le fluide environnant. Il sera dirigé
vers le bas dans le cas contraire.
Une goutte se forme à l'extrémité du capillaire, soumise à deux forces
opposées:
- une force de gravité fonction du volume de la goutte et de
la différence de masse volumique des fluides
- une force de capillarité dûe à la tension interfaciale du
liquide, qui retient la goutte et l'empêche de se détacher
A partir d'une certaine taille, la force de gravité devient supérieure
à la force de capillarité et la goutte se détache.
La tension superficielle est liée à la taille de la goutte par la
relation:
σl1l2
= V(Δρ)g
⁄ πd
σ
l1l2:
tension interfaciale [N/m]
V: volume de la goutte [m³]
Δρ: différence de masse volumique des phases [kg/m³]
d: diamètre du capillaire [m]
π: 3,1416
g: accélération dûe à la gravité [9,81 m/s²]
Le volume de la goutte au moment de son détachement peut être
obtenu de différentes manières:
- si le débit d'alimentation du capillaire est connu, le
rythme de formation des gouttes permet de connaitre le volume moyen de
chaque goutte
- des moyens optiques permettent de mesurer la taille des
gouttes