mini|300px|Ejemplo de tensión superficial: una aguja de acero sobre un líquido
La tensión superficial de un líquido es la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área. Esta definición implica que el líquido presenta una resistencia al aumentar su superficie, lo que en efecto permite a algunos insectos poder desplazarse por la superficie del agua sin hundirse. La tensión superficial es una manifestación de las fuerzas intermoleculares en los líquidos, junto a las fuerzas que se dan entre los líquidos y las superficies sólidas que entran en contacto con ellos, da lugar a la capilaridad. Como efecto tiene la elevación o depresión de la superficie de un líquido en la zona de contacto con un sólido.
Otra posible definición de tensión superficial: es la fuerza que actúa tangencialmente por unidad de longitud en el borde de una superficie libre de un líquido en equilibrio y que tiende a contraer dicha superficie. Las fuerzas cohesivas entre las moléculas de un líquido son las responsables del fenómeno conocido como tensión superficial.
En las interfases líquido-aire, la tensión superficial resulta de la mayor atracción de las moléculas del líquido entre sí (debido a la cohesión) que hacia las moléculas del aire (debido a la adhesión).
Hay dos mecanismos principales en juego. Uno es una fuerza hacia dentro sobre las moléculas superficiales que hace que el líquido se contraiga. La segunda es una fuerza tangencial paralela a la superficie del líquido. Esta fuerza tangencial se conoce generalmente como tensión superficial. El efecto neto es que el líquido se comporta como si su superficie estuviera cubierta por una membrana elástica estirada. Pero esta analogía no debe llevarse demasiado lejos, ya que la tensión en una membrana elástica depende de la cantidad de deformación de la membrana, mientras que la tensión superficial es una propiedad inherente a la interfaz líquido-aire o líquido-vapor.
Debido a la atracción relativamente alta de las moléculas de agua entre sí a través de una red de enlaces de hidrógenos, el agua tiene una tensión superficial más alta (72,8 milinewtons (mN) por metro a 20 °C) que la mayoría de los otros líquidos. La tensión superficial es un factor importante en el fenómeno de capilaridad.
La tensión superficial tiene la dimensión de fuerza por unidad de longitud, o de energía por unidad de área. Las dos son equivalentes, pero al referirse a la energía por unidad de área, es común utilizar el término energía superficial, que es un término más general en el sentido de que se aplica también a los sólidos.
En ciencia de los materiales, la tensión superficial se utiliza tanto para tensión superficial como para energía superficial. Causa miniatura|izquierda|Este clip está debajo del nivel del agua, que ha aumentado ligeramente. La tensión superficial evita que el clip se sumerja y que el vaso rebose. La tensión superficial se debe a que las fuerzas que afectan a cada molécula son diferentes en el interior del líquido y en la superficie. Así, en el seno de un líquido cada molécula está sometida a fuerzas de atracción que en promedio se anulan. Esto permite que la molécula tenga una energía bastante baja. Sin embargo, en la superficie hay una fuerza neta hacia el interior del líquido. Rigurosamente, si en el exterior del líquido se tiene un gas, existirá una mínima fuerza atractiva hacia el exterior, aunque en la realidad esta fuerza es despreciable debido a la gran diferencia de densidades entre el líquido y gas.
Otra manera de verlo es que una molécula en contacto con su vecina está en un estado menor de energía que si no estuviera en contacto con dicha vecina. Las moléculas interiores tienen todas las moléculas vecinas que podrían tener, pero las partículas del contorno tienen menos partículas vecinas que las interiores y por eso tienen un estado más alto de energía. Para el líquido, el disminuir su estado energético es minimizar el número de partículas en su superficie.
miniatura|Diagrama de fuerzas entre dos moléculas de un líquido.Energéticamente, las moléculas situadas en la superficie tienen una mayor energía promedio que las situadas en el interior, por lo tanto la tendencia del sistema será disminuir la energía total, y ello se logra disminuyendo el número de moléculas situadas en la superficie, de ahí la reducción de área hasta el mínimo posible.
Como resultado de minimizar la superficie, esta asumirá la forma más suave que pueda ya que está probado matemáticamente que las superficies minimizan el área por la ecuación de Euler-Lagrange. De esta forma el líquido intentará reducir cualquier curvatura en su superficie para disminuir su estado de energía de la misma forma que una pelota cae al suelo para disminuir su potencial gravitacional.
Simbología +SímboloNombreUnidadTensión superficialmN / m²Crecimiento de área superficialFuerzaLongitudObjetos flotantesFuerza por superficieFuerza por pesoAceleración de la gravedadMasaCurvatura superficial y presionesDiferencia de presiones (Presión de Laplace)N / m2Radio de curvatura en el eje xRadio de curvatura en el eje yLíquido en tubo verticalTensión superficial entre líquido y airemN / mDensidadkg / m3Altura del líquido que es levantadaRadio de capilaridadÁngulo de contactoCharcos en una superficieProfundidad de charcoTeorías termodinámicas de tensión superficialPotencial químicoEnergía libreN mEnergía libre de superficieN mDiferencia de presionesN / m2Presión interiorN / m2Presión exteriorN / m2TemperaturaKVolumen molar de la sustanciaTermodinámica de BurbujasÁream2RadiomInfluencia por TemperaturaTensión superficial constante para cada sustanciamN / mConstante universal para los líquidosConstante válida para casi cualquier sustanciaFactor empíricoPresión críticaN / m2Temperatura críticaKInfluencia por Concentración de solutoConcentración superficialmol / m2Concentración de la sustanciaInfluencia por Tamaño de partícula en presión de vaporPresión de vapor estándarN / m2Constante del gasRadio KelviinAguaTensión superficial del aguamN / mTensión superficial del agua saladamN / mSalinidad de referenciag / kgTemperatura°C
Propiedades miniatura|La tensión superficial puede afectar a objetos de mayor tamaño impidiendo, por ejemplo, el hundimiento de una flor. Algunas propiedades de : > 0, ya que para aumentar el estado del líquido en contacto hace falta llevar más moléculas a la superficie, con lo cual disminuye la energía del sistema y es la cantidad de trabajo necesario para llevar una molécula a la superficie. miniaturadeimagen|La tensión superficial produce que las gotas de agua sean esféricas, dado que esta forma tiene el menor área superficial para un volumen dado. depende de la naturaleza de las dos fases puestas en contacto que, en general, será un líquido y un sólido. Así, la tensión superficial será igual por ejemplo para agua en contacto con su vapor, agua en contacto con un gas inerte o agua en contacto con un sólido, al cual podrá mojar o no (véase capilaridad) debido a las diferencias entre las fuerzas cohesivas (dentro del líquido) y las adhesivas (líquido-superficie). se puede interpretar como una fuerza por unidad de longitud (se mide en N·m−1). Esto puede ilustrarse considerando un sistema bifásico confinado por un pistón móvil, en particular dos líquidos con distinta tensión superficial, como podría ser el agua y el hexano. En este caso el líquido con mayor tensión superficial (agua) tenderá a disminuir su superficie a costa de aumentar la del hexano, de menor tensión superficial, lo cual se traduce en una fuerza neta que mueve el pistón desde el hexano hacia el agua. El valor de depende de la magnitud de las fuerzas intermoleculares en el seno del líquido. De esta forma, cuanto mayor sean las fuerzas de cohesión del líquido, mayor será su tensión superficial. Podemos ilustrar este ejemplo considerando tres líquidos: hexano, agua y mercurio. En el caso del hexano, las fuerzas intermoleculares son de tipo fuerzas de Van der Waals. El agua, aparte de la de Van der Waals tiene interacciones de puente de hidrógeno, de mayor intensidad, y el mercurio está sometido al enlace metálico, la más intensa de las tres. Así, la de cada líquido crece del hexano al mercurio. Para un líquido dado, el valor de disminuye con la temperatura, debido al aumento de la agitación térmica, lo que redunda en una menor intensidad efectiva de las fuerzas intermoleculares. El valor de tiende a cero conforme la temperatura se aproxima a la temperatura crítica Tc del compuesto. En este punto, el líquido es indistinguible del vapor, formándose una fase continua donde no existe una superficie definida entre ambos, desapareciendo las dos fases. Al haber solamente una fase, la tensión superficial vale 0.
Efectos de tensión superficial Agua Varios efectos de tensión superficial puede ser vistos con agua ordinaria.
Cuentas de agua de lluvia en una superficie cerosa, tales como hojas. El agua se adhiere débilmente a la cera y fuertemente a sí misma, así que el agua se aglomera en gotas. La tensión superficial les da su forma casi esférica, ya que una esfera tiene la más pequeña posible razón de área superficial a volumen. La formación de gotas ocurre cuando una masa de líquido es alargada. La animación abajo muestra agua adhiriéndose a la válvula de agua ganando masa hasta que es alargada hasta un punto donde la tensión superficial no puede más sostener la gota vinculada a la válvula de agua. Entonces, se separa y la tensión superficial forma la gota en una esfera. Si un chorro de agua corre por la válvula de agua, el chorro se rompería en gotas durante su caída. La gravedad alarga el chorro, entonces la tensión superficial la pellizca en esferas. Flotación de objetos más densos que el agua ocurren cuando el objeto es no mojable y su peso es suficientemente pequeño para ser transportado por las fuerzas levantadas por la tensión superficial. Por ejemplo, las chinches patinadoras utilizan la tensión superficial para caminar sobre la superficie del estanque de la siguiente manera. La habilidad de no mojarse de las patas de las chinches patinadoras significa que no hay atracción entre las moléculas de la pata y las moléculas del agua, así que cuando la pata empuja hacia abajo sobre el agua, la tensión superficial del agua solo trata de recuperar su planitud de su deformación debido a la pata. Este comportamiento del agua empuja la chinche patinadora hacia arriba, así que se puede parar sobre la superficie del agua tanto como su masa es suficientemente pequeña que el agua la puede soportar. La superficie del agua se comporta como una película elástica: la pata del insecto causa hendiduras en la superficie del agua, incrementando su área superficial y tendencia de minimización de curvatura superficial (así como área) del agua empuja la pata del insecto hacia arriba. Separación de aceite y agua (en este caso, agua y cera líquida) es causada por una tensión en la superficie entre líquidos distintos. Este tipo de tensión superficial es llamada "tensión interfacial", pero su química es la misma. Las lágrimas de vino es la formación de gotas y riachuelos en el lado del vidrio conteniendo una bebida alcohólica. Su causa es una compleja interacción entre las diferentes tensiones superficiales de agua y etanol, es inducida por una combinación de modificación de tensión de superficie del agua por el etanol junto con más rápida evaporación de etanol que agua.
Surfactantes La tensión superficial es visible en otro fenómeno común, especialmente cuando los surfactantes son utilizados para reducirlo.
Las burbujas de jabón tienen muy grande área superficial con muy poca masa. Las burbujas en agua pura son inestables. La adición de surfactantes, sin embargo, puede tener un efecto estabilizador en las burbujas (vea Efecto Marangoni). Note que los surfactantes realmente reducen la tensión superficial del agua por un factor de tres o más.