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Mesure de tension superficielle

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 interractions 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 interractions.

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

représentation schématique d'un anneau de Du Nouy pour mesurer la tension superficielle des liquidesPermet 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 (Fmax) 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

représentation schématique d'une mesure de tension superficielle selon la méthode de la plaque de WilhelmyPermet 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

représentation schématique d'une mesure de tension superficielle de liquide par la pression de la bulle de gazUn 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 "rc". Ce dernier étant connu, on en déduit la tension superficielle du liquide "σl" de la mesure de la pression maximale "pmax" atteinte. La pression mesurée doit être corrigée de la pression hydrostatique "p0" 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

représentation schématique d'une mesure de tension superficielle par le volume de goutteUn 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

σl1l2: 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


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