De nombreuses expériences de la vie quotidienne ne peuvent pas trouver d'explication avec les lois vues jusqu'ici. C'est en tenant compte des propriétés des interfaces qu'on peut les justifier notamment grâce au concept de tension superficielle. Forme des bulles et gouttes, coalescence, retard des changements d'état et mouillabilité dépendent toutes de l’énergie interfaciale et de la tension superficielle γ, définie comme l'énergie interfaciale par unité de surface.
Fondements microscopiques et définition
En réalité, pour décrire correctement la physique aux interfaces il faut tenir compte des interactions moléculaires à courte portée qui s'exercent de part et d'autre de l'interface. Considérons un liquide F1 en contact avec sa vapeur F2. Au sein de chaque fluide les molécules subissent des interactions de très courte portée (interactions de van der Waals attractives). Ainsi, dans F1, chaque molécule possède une énergie d'interaction ε1 < 0 et de même pour ε2 dans F2. Par contre, il existe une couche de fluide dans laquelle les molécules sont soumises à l'action des deux fluides; l'épaisseur de ce film moléculaire est de l'ordre de la dimension a d'une molécule. Appelons alors ε12 l'énergie d'interaction d'une molécule interfaciale. Ainsi, E_s = N_s(ε12 − ε1) représente l'énergie de l'interface et γ est par définition la tension superficielle. Ainsi, la tension superficielle est une grandeur positive qui caractérise une interface et représente l'énergie interfaciale par unité de surface.
Forme des bulles et des gouttes
Forme des bulles et gouttes - Ainsi un liquide adoptera une forme qui minimise la surface compte tenu des contraintes. On montre que pour un volume donné la surface qui minimise l'énergie est une sphère. Par exemple une goutte d'huile dans un mélange eau-alcool de densité identique sera sphérique.
Coalescence et dynamique des gouttes
Coalescence - On montre aussi que deux gouttes sphériques auront intérêt à former une goutte plus grosse. Ainsi quand on agite énergiquement un mélange eau-huile on obtient une émulsion de petites gouttes d'huile dans l'eau.
Retard à la vaporisation et états métastables
Retard des changements d'état - Lorsque l'on détend un liquide de façon isotherme, la thermodynamique prévoit qu'en dessous d'une pression dite pression de vapeur saturante, le liquide change de phase pour se vaporiser. Cependant la formation de la première bulle de vapeur coûte de l'énergie; le liquide peut exister dans une phase métastable en dessous de la pression de vapeur saturante. On parle de retard à la vaporisation. Une simple perturbation locale peut suffire à déclencher la formation d'une première bulle de vapeur, phénomène utilisé dans les chambres à bulles.
Tensioactifs et micelles
Les tensioactifs sont constitués de molécules amphiphiles, munies d'un pôle hydrophile et d’une longue chaîne hydrophobe. Lorsqu’un tensioactif est ajouté à de l’eau il vient se placer immédiatement à la surface, avec la queue hydrophobe pointant à l’extérieur de la surface. Ce processus s'accompagne d'une diminution de l'énergie de surface et donc d'une chute de la tension superficielle. Ce n’est qu’une fois la surface saturée que les tensioactifs vont former des micelles, structures sphériques ou ellipsoïdales dont la surface est constituée des têtes hydrophiles et dont les queues hydrophobes forment l’intérieur. L’effet nettoyant découle du fait que les substances hydrophobes peuvent être contenues à l’intérieur des micelles. La concentration micellaire critique (CMC) est le seuil au-delà duquel les micelles se forment.
Mesures et phénomènes capillaires
Voir sur YouTube Plongeons un contour métallique dans de l'eau savonneuse puis retirons-le; il se forme alors une membrane plane soutenue par le contour. En déplaçant une tige dans une lame d'eau savonneuse, la force nécessaire est f_op = 2γℓ, démontrant que l'interface peut être traitée comme une membrane tendue avec des tensions capillaires le long du contour.
Mesure de la tension superficielle et techniques associées
La mesure de la tension superficielle se fait par différentes méthodes: angle de contact, méthode par encre de test, ou méthodes optiques en ligne. Les valeurs typiques de γ pour les liquides moléculaires se situent entre quelques dizaines de mN/m; elles varient avec la température et la nature du liquide. En pratique, les matériaux industriels utilisent des techniques telles que les encres de test pour évaluer l'humectation et la mouillabilité des surfaces métalliques ou polymères.
Équilibres capillaires et ligne triple
Équilibre au contact de trois fluides - Déposons une goutte d'huile sur de l'eau; l'ensemble des forces capillaires autour de la ligne triple (contact entre les trois phases) satisfont des conditions vectorielles et leur triangle possible implique des contraintes sur les tensions de surface γ_ij. L’angle de contact et le mouillage dépendent des tensions interfaciales et de l’avancée des fluides sur les surfaces.
Équilibre liquide-surface et courbure
On peut démontrer la loi de Laplace-Young qui relie la pression Δp à la courbure de l’interface: Δp = 2γ/R pour une sphère de rayon R. Cette relation explique l’ascension capillaire et les phénomènes de mûrissement d’une mousse lorsque les petites bulles ont une pression plus élevée que les grandes.
Applications industrielles et mesures en laboratoire
La mesure de la tension superficielle et de l’énergie de surface est essentielle pour diverses applications industrielles: revêtements, adhésifs, composites, et procédés de fabrication. Les techniques modernes incluent le Mobile Surface Analyzer et des méthodes d’encre de test pour évaluer l’humectation et la mouillabilité des surfaces métalliques et polymères, ainsi que des approches en ligne pour un contrôle qualité continu.
- La tension superficielle est mesurée en N/m et peut être convertie en énergie de surface J/m².
- Les valeurs typiques: 20-100 mN/m pour les liquides; 25-70 mN/m pour les plastiques et céramiques; >1000 mN/m pour certains métaux.
- Les phénomènes capillaires gouvernent la capillarité, l’adhérence et le mouillage sur les surfaces.
Exemple pratique: ascension capillaire et la loi de Jurin
En imbibant un capillaire et en utilisant la loi de Laplace-Young, on montre que l’élévation h est liée à γ et à la rayon du tube: h = 2γ cos θ / (ρ g r). Cet exemple illustre comment la mouillabilité et la tension superficielle déterminent le comportement des liquides dans les capillaires.
Récapitulatif des notions clefs
La tension superficielle est une grandeur positive caractérisant une interface et représentant l’énergie interfaciale par unité de surface. Elle dépend de la température et de la nature des phases. L’énergie de surface est proche conceptuellement de γ mais peut être séparée dans certaines discussions des énergies internes des interfaces et des interactions moléculaires à la frontière des milieux. La mouillabilité et les forces capillaires dépendent directement de γ et de l’angle de contact Θ, permettant d’évaluer la capacité d’un liquide à mouiller une surface.