Tensione superficiale e capillarità: la pelle dei liquidi

Un insetto che cammina sull’acqua, una graffetta che galleggia se appoggiata con cura, l’acqua che risale da sola in un tubicino sottile contro la gravità: dietro questi fenomeni c’è la tensione superficiale, la proprietà per cui la superficie di un liquido si comporta come una pellicola elastica. È un concetto semplice con conseguenze enormi, dall’irrigazione dei terreni alla formulazione dei detergenti.

Vediamo che cos’è la tensione superficiale, come genera la pressione nelle gocce e nelle bolle e perché fa risalire i liquidi nei capillari.

La superficie come pellicola elastica

Come abbiamo visto, le molecole alla superficie di un liquido sono attratte verso l’interno perché hanno vicini solo da un lato. Il risultato è che la superficie tende a contrarsi, a ridurre la propria area, comportandosi come una membrana tesa. La tensione superficiale (γ) misura proprio questa “forza” per unità di lunghezza, ovvero l’energia necessaria per creare nuova superficie per unità di area.

L’acqua ha una tensione superficiale particolarmente alta (circa 72 mN/m a temperatura ambiente, per via dei legami a idrogeno), molto superiore a quella della maggior parte dei liquidi organici (per esempio l’etanolo è intorno a 22 mN/m): è proprio questa differenza a spiegare perché l’acqua pura bagna male molte superfici e fatica a penetrare nei tessuti, mentre i solventi organici si distendono con facilità. Riscaldando il liquido la tensione superficiale diminuisce, e aggiungendo tensioattivi crolla — ed è esattamente ciò che serve per pulire e bagnare, come vedremo.

La pressione nelle gocce e nelle bolle

La tensione superficiale ha una conseguenza importante: la pressione all’interno di una superficie curva è maggiore che all’esterno. Più la superficie è curva (raggio piccolo), maggiore è questa sovrappressione, descritta dalla legge di Young-Laplace:

ΔP = 2γr

La capillarità

Il fenomeno più spettacolare legato alla tensione superficiale è la capillarità: in un tubo molto sottile (capillare), un liquido che bagna le pareti risale spontaneamente contro la gravità. Più stretto è il tubo, più alta è la salita.

L’altezza di risalita è descritta dalla legge di Jurin:

h = 2γ cosθρ g r

dove θ è l’angolo di contatto, ρ la densità del liquido, g l’accelerazione di gravità e r il raggio del capillare. La capillarità è il motore con cui l’acqua sale nei terreni e nei materiali porosi, con cui la linfa risale (in parte) nelle piante, con cui inchiostri e adesivi penetrano nelle fibre, e con cui funzionano carta assorbente, spugne e tessuti tecnici.

Misurare la tensione superficiale

La tensione superficiale si misura con metodi diversi: il tensiometro a piatto o ad anello (si misura la forza per staccare un piatto o un anello dalla superficie), il metodo della goccia pendente (dalla forma della goccia si risale a γ), il metodo della pressione massima della bolla. Per il controllo di qualità di detergenti, vernici e formulazioni, conoscere e misurare la tensione superficiale è spesso un parametro chiave: dice se un prodotto bagnerà bene una superficie, se un detergente è efficace, se un inchiostro penetrerà in un supporto.

Perché conta nella pratica

La tensione superficiale è un parametro pratico in moltissime lavorazioni. Nelle vernici e negli inchiostri determina se il prodotto si distende uniformemente o forma difetti; nei detergenti è il bersaglio diretto (abbassarla per bagnare e rimuovere lo sporco); nell’industria alimentare e cosmetica governa schiume ed emulsioni; nei trattamenti superficiali decide se un rivestimento aderirà. Capire la tensione superficiale e la capillarità permette di prevedere e controllare il comportamento dei liquidi sulle superfici, evitando difetti e ottimizzando le formulazioni.

Domande frequenti

Che cos’è la tensione superficiale?

È l’energia necessaria per aumentare l’area della superficie di un liquido, ovvero una forza per unità di lunghezza che fa contrarre la superficie come una pellicola elastica. Nasce dallo squilibrio di forze sulle molecole di superficie. L’acqua ne ha molta, per via dei legami a idrogeno.

Perché una graffetta può galleggiare sull’acqua?

Perché la tensione superficiale fa comportare la superficie dell’acqua come una membrana tesa, capace di sostenere piccoli oggetti più densi dell’acqua, purché appoggiati delicatamente senza rompere la superficie. Lo stesso effetto permette ad alcuni insetti di camminare sull’acqua.

Perché l’acqua sale nei tubi sottili?

Per la capillarità: se l’acqua bagna le pareti, la tensione superficiale la trascina verso l’alto contro la gravità. Più stretto è il tubo, più alta è la salita (legge di Jurin, h inversamente proporzionale al raggio). È il meccanismo con cui l’acqua sale nei terreni, nelle spugne e nella carta assorbente.

Cosa dice la legge di Young-Laplace?

Che la pressione all’interno di una superficie curva è maggiore che all’esterno, e cresce al diminuire del raggio (ΔP = 2γ/r). Una conseguenza è che una bolla piccola ha pressione interna maggiore di una grande: collegandole, la piccola si svuota nella grande. Governa nebulizzazione, gocce e bolle.

Come si abbassa la tensione superficiale?

Scaldando il liquido (la tensione diminuisce con la temperatura) o, soprattutto, aggiungendo tensioattivi: queste molecole si dispongono in superficie e ne abbassano drasticamente la tensione. È proprio ciò che fanno i detergenti per permettere all’acqua di bagnare e rimuovere lo sporco.