Tension superficielle

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La tension superficielle ou énergie de surface est la tension qui existe à la surface de séparation de deux milieux. Cette tension est due au fait que les molécules, à la limite de séparation, ne sont pas soumises aux mêmes forces de Van der Waals de la part de toutes leurs voisines. C'est la résultante des forces s'exerçant sur une molécule de la surface et dirigée vers l'extérieur d'un liquide. En physique, c'est donc un effet au sein d'un liquide qui amène la surface à se déformer comme une membrane élastique.

Cet effet permet par exemple aux insectes de marcher sur l'eau, à la rosée de ne pas s'étaler sur les pétales de fleurs, et explique la capillarité. La tension superficielle explique aussi la formation des bulles de savon.

La tension superficielle représente la force de la pellicule de surface du liquide. Elle est causée par l'attraction entre les molécules de liquide, due aux forces intermoléculaires. Au milieu du liquide, chaque molécule est tirée dans toutes les directions par les molécules voisines de liquide : la résultante des forces est nulle. À la surface du liquide, les molécules sont tirées vers l'intérieur du liquide par les molécules situées sur les côtés et en dessous en profondeur, mais il n'y a pas de molécules à l'extérieur du liquide pour équilibrer ces forces. Il peut y avoir une faible attraction exercée par les molécules d'air, mais elle est négligeable par rapport à l'attraction des molécules du liquide. La seule force qui s'oppose à cette attraction est la résistance à la compression du liquide.

La tension superficielle se mesure en newtons par mètre (N.m^-1). On la définit comme la force qu'il faut appliquer à l'unité de longueur le long d'une ligne perpendiculaire à la surface d'un liquide en équilibre pour provoquer l'extension de cette surface, ou comme le travail exercé par cette force par unité de surface. L'unité de tension superficielle (N.m^-1) est équivalente à des joules par mètre carré (J.m^-2), qui correspondent à une unité d'énergie de surface. On peut définir cette énergie d'interface comme étant le surplus d'énergie chimique par rapport au cas où les molécules de surface se trouveraient à l'intérieur du liquide.

Le système tend à minimiser l'énergie de surface. Dans le cas d'une goutte d'eau, l'énergie est minimale lorsque la surface est minimale. Or la forme correspondant à la plus petite surface possible est une sphère. C'est pour cela que les gouttes d'eau ont une forme circulaire.
Si deux gouttes se rencontrent, elles vont fusionner et ainsi former une seule goutte (coalescence), toujours pour minimiser la tension superficielle. En effet, deux sphères de volume V/2 ont une surface plus grande qu'une seule sphère de volume V.
Si l'énergie d'interface entre un solide et un liquide est forte, alors le liquide ne s'étale pas et reste sous forme de gouttelette.

Des composés permettent de diminuer la tension superficielle, ce sont des tensioactifs.