vignette|La tension superficielle permet à un pengő hongrois en aluminium de ne pas couler au fond du verre d'eau (bien que l'aluminium soit plus dense que l'eau)… vignette|...et aux gerridés de se déplacer à la surface d'une mare.
La tension superficielle est un phénomène physico-chimique lié aux interactions moléculaires d'un fluide. Elle résulte de l'augmentation de l'énergie à l'interface entre deux fluides. Le système tend vers un équilibre qui correspond à la configuration de plus basse énergie, il modifie donc sa géométrie pour diminuer l'aire de cette interface. La force qui maintient le système dans cette configuration est la tension superficielle.
Une conséquence est que pour augmenter l'aire de l'interface, il faut appliquer une force suffisante, sinon le système reste dans sa configuration de surface minimale. Cet effet permet par exemple à certains insectes de marcher sur l'eau, à un objet léger de se maintenir à la surface d'un liquide, à la rosée de ne pas s'étaler sur les pétales de fleurs, et explique la capillarité.
Description vignette|Une goutte d'eau sur un damas.
À la surface d'un milieu dense (liquide ou solide) ou à l'interface entre deux milieux denses, la matière n'est pas, localement, rigoureusement dans le même état qu'au sein des milieux denses : les molécules présentes à l'interface interagissent avec celles de l'autre milieu, alors que celles situées au sein de la matière n'interagissent qu'avec leurs semblables. L'interaction entre les deux milieux produit une certaine instabilité (par comparaison avec l'intérieur) : l'état local à l'interface possède une énergie légèrement supérieure. À la surface ou interface est donc associée une certaine énergie par unité de surface (exprimée en joules par mètre carré — ) dont l'origine est la force de cohésion entre molécules identiques. Un point de vue équivalent est qu'il existe, au voisinage de la surface ou interface, une certaine contrainte en tension dans le milieu ; c'est une force par unité de longueur, exprimée en newtons par mètre ().
On parle donc indifféremment d'énergie surfacique ou de tension linéique ( = ).
On a l'habitude, pour l'interface entre deux milieux denses, de parler de tension interfaciale, d'énergie interfaciale ou d'énergie d'interface. Entre un milieu dense et un gaz, on parle souvent plutôt de tension superficielle, de tension de surface ou d'énergie de surface.
La tension superficielle explique en outre la formation des bulles de savon et la coalescence des gouttes ou des bulles.
Le phénomène de la tension superficielle est exploité naturellement par des insectes pour rester à la surface de l'eau.
Exemples simples et expériences
Des expériences simples permettent de mettre en évidence la tension superficielle. Une petite pièce de monnaie en aluminium (comme un pengő hongrois, par exemple), qui, intuitivement, devrait tomber au fond du verre au regard de la densité de l'aluminium, reste à la surface du liquide : le poids de l'objet est trop faible pour briser l'équilibre, la tension de surface. Une expérience comparable peut être réalisée avec un trombone en acier posé délicatement à la surface de l'eau.
Forme d'une goutte
Dans le cas d'une goutte d'un liquide A au sein d'un fluide B, l'énergie est minimale lorsque la surface est minimale. Or, la forme correspondant à la plus petite surface possible enserrant un volume donné est une sphère. C'est pour cela que les gouttes d'eau ont une forme sphérique. En réalité, la gravité joue également pour déterminer la forme de la goutte.
Coalescence de deux gouttes right|alt=Coalescence de deux gouttes|thumb|Coalescence de deux gouttes : la surface totale diminue lorsque les deux gouttes fusionnent.
Si deux gouttes entrent en contact, elles peuvent fusionner et ainsi former une seule goutte (coalescence), toujours pour minimiser l'énergie totale, produit de la tension superficielle par la surface totale. En effet, la surface totale du liquide est ainsi amoindrie.
Exemple de calcul pour deux gouttes de même rayon :
Leur volume est proportionnel au cube de leur rayon . Le volume de la goutte résultante est donc proportionnel à et a donc un rayon égal à . Leur surface est égale à chacune, soit au total. La goutte résultante, quant à elle, a une surface , donc moindre que celle des deux gouttes initiales.
Les gouttes peuvent se séparer en apportant de l'énergie (sous forme cinétique) dans une partie du liquide pour contrecarrer la tension superficielle. Cette énergie peut être apportée par une différence locale de température, ce qui modifie localement la pression hydrostatique et produit une dilatation locale d'une partie du liquide, si cette dilatation est plus rapide que la propagation de température par conductivité thermique.
Ménisque de l'eau dans un verre
Lorsque l'on met de l'eau dans un verre, elle remonte d'environ un millimètre, le long de la paroi, en adoptant une forme concave ; ceci est particulièrement visible dans le cas d'un tube à essai (environ de diamètre). C'est ce que l'on appelle un ménisque. À l'inverse, il est possible de faire dépasser la surface de l'eau du bord du verre sans qu'elle ne s'écoule en dehors de celui-ci, la surface de l'eau adopte une forme convexe.
Goutte qui pend sans tomber
C'est la tension superficielle qui retient la goutte au support ; la masse de la goutte qui tombe d'un compte-goutte est donnée par la loi de Tate.
Action de la tension superficielle sur un fil souple vignette|Explosion d'une partie d'une bulle.
Couper une bouteille en plastique. Poncer son bord de manière à faire disparaître les imperfections de la découpe. Percer deux trous diamétralement opposés à du bord. Placer un fil légèrement détendu en travers de l'ouverture. Poser l'ouverture dans un récipient contenant de l'eau dans laquelle on a dilué un peu de liquide vaisselle, afin de créer une bulle. Rompre la partie inférieure de la bulle pour montrer que la force de tension superficielle qui minimise la partie supérieure est assez grande pour soulever le fil.
Propulsion à l'huile ou au savon vignette|redresse=1.5|Tension de surface démontrée sur un film de savon. vignette|« Bateau à réaction ».
Découper une pièce de plastique d'environ trois centimètres (la colorer la rend plus facilement visible). Y découper une fente d'un millimètre de large. La poser sur l'eau d'un récipient. Déposer une goutte d'huile ou de savon liquide dans la fente. La pièce est propulsée par la force de tension superficielle.
On ne peut pas rééditer l'expérience sans changer l'eau contenue dans le récipient, car une goutte de liquide vaisselle abaisse tellement la tension superficielle qu'une deuxième goutte ne peut pas la diminuer suffisamment.
Fontaine de soda
Dans un soda, les molécules du gaz carbonique dissous sont solvatées, les molécules d'eau forment un bouclier autour du ; si l'on secoue la bouteille, on vainc la tension superficielle du bouclier et les molécules de se regroupent pour former des bulles ; ou bien en utilisant une poudre, les petits grains abaissent la tension superficielle, on peut par exemple mettre des chewing-gums (on obtient ainsi l'effet geyser du mélange Mentos-boisson gazeuse).
Cas du gerris
Les gerris (ou punaises d'eau) sont des insectes qui ont la capacité de marcher sur l'eau grâce à la tension de surface. Les gerris mesurent environ 15 mm, on peut donc estimer la longueur de la partie des pattes en contact avec l'eau à mm. Le diamètre des pattes (poils hydrophobes compris) peut être considéré comme négligeable devant leur longueur. La masse d'un gerris est de l'ordre de 80 mg.
On peut estimer la force de réaction de l'eau sur les pattes de l'animal via la tension superficielle en estimant la longueur de la ligne de contact triple entre les pattes, l'air et l'eau. On a quatre longues pattes hydrophobes, avec un contact de part et d'autre. Cela mène à une force (en prenant )vignette|Gerris marchant sur l'eau. L'animal soutient son poids par quatre longues pattes hydrophobes.
à comparer avec le poids de l'insecte
On comprend donc pourquoi cet animal peut se déplacer sur l'eau. On voit cependant que si l'eau est polluée par des tensioactifs, et que la tension superficielle descend à 20 mN/m, l'insecte coule. C'est ce qui fait de la présence de cet insecte un bon indicateur du niveau de pollution d'un cours d'eau.
Autres phénomènes
Un liquide peut monter (ou descendre) dans un tube suffisamment fin (nommé tube capillaire par référence à l'épaisseur d'un cheveu) : c'est l'effet de capillarité, régi par la loi de Jurin.
Mesure de la tension superficielle
Il est capital dans l'industrie de connaître la tension superficielle d'un matériau. En effet, plus celle-ci est élevée plus le matériau sera apte à être imprimé ou collé par exemple. Au contraire, plus le matériau a un niveau de tension de surface bas, plus il servira de filtre (hydrophobe voire oléophobe). La notion de tension superficielle est omniprésente notamment dans les industries du plastique, de la céramique ou du métal.
Pour le plastique, il s'agit de savoir si on peut imprimer ou coller tel ou tel matériau, savoir si le matériau a été traité pour cela… Pour les métaux, mesurer la tension superficielle sert à savoir si le matériau est propre et donc apte au processus de transformation.
Définition vignette|Cadre déposé à la surface d'un fluide. On applique une force sur la paroi mobile pour augmenter la surface délimitée par le cadre.
La tension superficielle est définie à partir de la force qu'il faut exercer pour augmenter la surface d'un système. Considérons un récipient contenant un fluide. À sa surface, on dispose un cadre rectangulaire composé de trois parois fixes et d'une mobile. On applique ensuite une force tangentielle à la surface pour augmenter la surface délimitée par le cadre. On constate que pour un fluide donné l'intensité de la force est directement proportionnelle à la longueur . L'intensité de cette force peut donc s'écrire :
Le coefficient 2 est lié au fait que l'interface a deux côtés. est la tension superficielle, elle s'exprime en et ne dépend que du fluide considéré. La mesure de cette force est donc un premier moyen de détermination de .
vignette|Bilan des forces de tension superficielle sur une surface courbe.
Si on considère une surface libre plane, le bilan des forces de tension superficielles sur la circonférence de la surface est nul. Dans le cas où la surface est courbée: ce bilan des forces de tensions superficielles sur un élément de surface reste nul en projection sur le plan tangent à la surface ; il n'est pas nul en projection sur l'axe normal à la surface . La force résultante dépend des rayons de courbure de la surface et selon les deux axes orthogonaux et . cette force est contrebalancée par une pression que l'on nomme pression de Laplace :
La détermination de cette différence de pression entre les deux côtés de l'interface est donc un second moyen de détermination de la tension superficielle.
Méthodes de mesure Mesure de forme
Méthode de la goutte pendante ou stalagmométrie : une goutte est observée de profil. Un ajustement précis de la forme par une famille de courbes connues, combiné à la taille de la goutte, permet de connaître la longueur capillaire. Connaissant la densité du liquide, on en déduit alors la tension superficielle. Méthode de la goutte sessile : une goutte est posée sur un support solide plan, on observe l'angle de contact formé, qui permet de déterminer la tension superficielle.