Origine microscopique de la tension superficielle ?

[invite423e4843]

Bonjour,

Une question à propos de la tension superficielle me pose problème depuis un moment.

Autant je pense comprendre son origine en terme d'énergie de surface, autant je ne vois pas d'où vient, "microscopiquement", la tension (ie. la force) à proprement parler.

Pour être le plus clair possible, j'ai pris un peu de temps pour faire des schémas, ils sont normalement joints au message (allez plutôt sur ce lien pour les images : http://forums.futura-sciences.com/ph...1215-test.html
, j'ai fait une fausse manip).

Je vous résume ce que je pense avoir compris et à la fin, quel est mon soucis.



- La première image : "Forces Van der Waals.png" est un schéma que l'on trouve dans de nombreux ouvrages et qui explique pourquoi une molécule à la surface d'un liquide possède plus d'énergie qu'une molécule en profondeur :
Les petites flèches noires représentent les forces de Van der Waals qui assurent la cohésion du liquide.
En surface les molécules n'ont pas autant de cohésion que les molécules en profondeur, elles possèdent donc un surplus d'énergie.
On définit alors la tension superficielle qui représente l'énergie en surplus par unité de surface.

- La deuxième image : "Forces Van der Waals - Force.png" représente, pour une molécule en surface, la force surfacique de Van der Waals totale due à toutes les molécules aux alentours.

- La troisième image : "Force capillaire - Cadre.png" représente une expérience classique qui permet de passer simplement de la vision énergétique à la vision "tension superficielle" (et donc à la notion de force).
Il s'agit d'un film de savon qui s'est formé sur un cadre métallique en U fermé par une tige mobile.
Si on veut faire bouger la tige de , la variation d'énergie potentielle vaudra (où le facteur 2 est du au fait qu'il y a deux surfaces dans le film).
Par analogie avec la formule , on définit , la force linéaire qui s'exerce sur un côté de la tige et qui est dirigée suivant l'intérieur de la surface.

- La quatrième image : "Cadre 3D - Force capillaire.png" représente ces deux forces de part et d'autre du film de savon (chacune).

- Enfin, la cinquième image : "Cadre 3D - Van der Waals.png" essaye de combiner la première image et l'expérience du film de savon sur le cadre métallique.

Je cherche à retrouver "microscopiquement" la forme de en considérant uniquement les forces de Van der Waals et en oubliant l'énergie.
On pourrait croire que "microscopiquement" le déplacement de la tige vers l'intérieur de la surface est du aux forces de Van der Waals qui "rappellent" vers l'intérieur les molécules qui sont sur le bord de la tige.
Mais ça m'étonnerait que cette vision soit juste : déjà il s'agirait d'une force surfacique et non linéaire comme l'est (le facteur 2 n'aurait donc aucune raison d'apparaitre, et au contraire l'épaisseur du film devrait jouer un rôle ce qui n'est manifestement pas le cas), en plus le qui intervient dans la force est en réalité alors que d'après mon dernier schéma il faudrait faire intervenir


Et c'est là que je ne comprend plus rien. Comment des forces de Van der Waals qui ont tout l'air d'être normales à la surfaces (schéma 1 et 2) se débrouillent pour donner naissance à une force tangentielle ?

Qu'est-ce qui, "microscopiquement", est responsable de la tension superficielle ?



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Je pense que dès le départ ma vision des choses est fausse.

Par exemple, d'après le schéma 2, la surface d'un liquide subit une force normale vers l'intérieur. Pourquoi la surface ne s'effondre-t-elle pas dans ce cas ? La résultante des forces sur la surface doit être nulle lorsqu'elle est au repos. Mais quelles sont les forces qui s'opposent à la force résultant de toutes les interactions de Van der Waals ?

Peut-être qu'il n'y a tout simplement pas de force de Van der Waals résultante, peut-être que le potentiel d'intéraction entre deux molécules est de type Lennard-Jones et que chacune est dans un puits de potentiel. Si c'était le cas, chaque molécule serait bien à l'équilibre sans subir de forces mais en ayant quand même une énergie plus basse en profondeur qu'en surface.

Ca m'arrangerait bien, ça rendrait les dessins 1,2 et 5 faux. Mais ça n'expliquerait toujours pas l'origine microscopique de la tension superficielle.

Pour ceux qui ont une idée, je suis preneur. J'ai cherché un peu partout (dans ce forum même, internet en général, Bruhat, De Gennes ...) et le passage de l'énergie à la force est toujours fait de la même façon sans que je comprenne mieux.
-----

[arrial]

Salut,




Pour rester simple :

La tension superficielle est liée à la permittivité ε.

Si on applique un champ électrique E↑ à un liquide, cela crée à l'intérieur le champ déplacement D↑ = ε.E↑ ce qui montre que le caractère polaire des molécules est primordial.
C'est la rupture des équilibres entre dipôles au niveau d'un dioptre qui crée donc la tension superficielle …



@+

[invite1acecc80]

Bonjour,

Pour rester simple :

La tension superficielle est liée à la permittivité ε.

Si on applique un champ électrique E↑ à un liquide, cela crée à l'intérieur le champ déplacement D↑ = ε.E↑ ce qui montre que le caractère polaire des molécules est primordial.
C'est la rupture des équilibres entre dipôles au niveau d'un dioptre qui crée donc la tension superficielle …

Comment fais-tu pour expliquer la tension superficielle d'un liquide constitué de molécules apolaires comme l'octane, ou tout simplement le mercure avec ton explication?

A plus,

[invite1acecc80]

Bonjour,

Et c'est là que je ne comprend plus rien. Comment des forces de Van der Waals qui ont tout l'air d'être normales à la surfaces (schéma 1 et 2) se débrouillent pour donner naissance à une force tangentielle ?

Imagine un "film" d'épaisseur de un atome posé sur une table...
Les forces de VdW dirigé vers la table sont compensées par la réaction du support ( non pénétration). Au Final, localement, la résultante totale sera les forces de VdW des plus proches voisins à la surface, d'où une force tangentielle...

Par exemple, d'après le schéma 2, la surface d'un liquide subit une force normale vers l'intérieur. Pourquoi la surface ne s'effondre-t-elle pas dans ce cas ? La résultante des forces sur la surface doit être nulle lorsqu'elle est au repos. Mais quelles sont les forces qui s'opposent à la force résultant de toutes les interactions de Van der Waals ?

La surface ne s'effondre pas... il y a également les forces de pression qui entre en jeu (elles sont normales à la surface localement).

A plus.

[A voir en vidéo sur Futura]

[arrial]

Bonjour,



Comment fais-tu pour expliquer la tension superficielle d'un liquide constitué de molécules apolaires comme l'octane, ou tout simplement le mercure avec ton explication?

A plus,

Pour moi, le mercure n'est pas spécialement mouillant, et je ne me suis pas penché sur le cas de l'octane : il me semble évident que dans les liquides les moins mouillants, des effets plus faibles prennent le relais.

@+

[invite1acecc80]

Re,

Pour moi, le mercure n'est pas spécialement mouillant, et je ne me suis pas penché sur le cas de l'octane : il me semble évident que dans les liquides les moins mouillants, des effets plus faibles prennent le relais.

Mais la question n'est pas la mouillabilité d'un liquide... c'est l'origine d'une tension de surface d'un point de vue "mécanique".

A plus.

[arrial]

Re,



Mais la question n'est pas la mouillabilité d'un liquide... c'est l'origine d'une tension de surface d'un point de vue "mécanique".

A plus.

L'aspect purement mécanique est restrictif : si on veut aller outre la mouillabilité, il faut alors passer directement au changement de phase. Pourquoi le fluide est soit liquide, soit gazeux, soit super-critique ?

[invite1acecc80]

Re,

L'aspect purement mécanique est restrictif : si on veut aller outre la mouillabilité, il faut alors passer directement au changement de phase. Pourquoi le fluide est soit liquide, soit gazeux, soit super-critique ?

Pourrais-tu m'expliquer comment tu montres la loi de Jurin avec un changement de phase? Où encore la pression de Laplace?

A plus.

[invite423e4843]

Bonjour,


Imagine un "film" d'épaisseur de un atome posé sur une table...
Les forces de VdW dirigé vers la table sont compensées par la réaction du support (non pénétration). Au Final, localement, la résultante totale sera les forces de VdW des plus proches voisins à la surface, d'où une force tangentielle...

D'accord, mais à ce moment là, sur la ligne "film de savon/métal" du schéma 4 (où s'applique les forces capillaires) on devrait avoir une tension superficielle de .

Or en utilisant un raisonnement energétique, on trouve

La surface ne s'effondre pas ... il y a également les forces de pression qui entrent en jeu (elles sont normales à la surface localement).

A plus.

J'ai pensé à la pression, mais puisque la force de Van der Waals résultante que j'ai dessiné sur le schéma 2 est surfacique, alors cela devrait signifier qu'il y a une discontinuité de la pression à l'interface liquide/air.

La surpression à l'intérieur d'un liquide n'existe qu'à cause de la variation de g avec la hauteur.
Elle ne suffit pas à compenser la force de Van der Waals dessinée dans le schéma 3.
Rajouter une discontinuité à la pression me semble être le seul moyen de compenser Van der Waals et ça ne me paraît pas être bon (d'où viendrait cette pression ? ...)


(aussi on peut refaire le même raisonnement avec un film vertical en disant que les forces de Van der Waals de gauche sont compensées par celles de droite et que finalement, il ne reste qu'une composante verticale ...)


Cela dit, si on reprend ton idée de " "film" d'épaisseur de un atome posé sur une table ..." :

- les forces de Van der Waals subient par le film seraient l'interaction entre les atomes du film et la surface de la table.
- elles seraient compensées par la "réaction du support". J'en viens d'ailleurs à me demander l'origine de la réaction du support (répulsion electrostatique ? Pauli ?).
- est-ce que ça ne reviendrait pas à dire que les molécules du film sont dans un puits de potentiel de type Lennard-Jones ?
- dans ce cas, pourquoi parler de façon privilégiée des forces de VdW, puisqu'il y en a une autre, opposée, et d'origine différente qui la compense à tout instant ?

[invite93279690]

Salut,

Indépendament du modèle microscopique, l'origine des phénomènes de surface est simplement l'existence d'une interface entre deux phases 1 et 2. A ce moment plusieurs energies sont à prendre en compte :
l'energie entre les molecules de la phase 1,
l'energie entre les molecules de la phase 2,
l'energie entre les molecules de la phase 1 et ceux de la phase 2,
Si est supérieur à et alors ça coute de l'energie de faire une interface...mais il n'y a pas le choix donc la Nature tend à minimiser l'aire de l'interface via une force effective appelée tension de surface.