Prof. Didi

FAENG Faculdade de Engenharia

“Engenheiro Celso Daniel”

Termodinâmica dos Sólidos

Termodinâmica

de Superfícies

A superfície dos líquidos: tensão superficial

Como conseqüência das fortes interações intermoleculares, a água apresenta algumas propriedades especiais. Alguns insetos, por exemplo, podem andar sobre ela. Uma lâmina de barbear, se colocada horizontalmente, também flutua na água. Isto se deve à tensão superficial da água: uma propriedade que faz com o líquido se comporte como se tivesse uma membrana elástica em sua superfície.

A superfície dos líquidos: tensão superficial

A superfície dos líquidos: tensão superficial

Este fenômeno pode ser observado em quase todos os líquidos e é o responsável pela forma esférica de gotas ou bolhas do líquido.

A superfície dos líquidos: tensão superficial

Gotas de água à superfície de madeira tratada com o spray Lotus, da BASF. Lotus é uma planta cujas folhas repelem a água, uma vez que estão cobertas de nanocristais de uma cera hidrofóbica, que reduzem a área útil de contacto entre a água e a superfície para apenas 2-3% da área total. Este efeito é imitado pelo spray da BASF que combina nanopartículas com polímeros hidrofóbicos. O spray é particularmente eficiente em superfícies rugosas, como as de materiais de construção, madeira, papel, cabedal e têxteis.

A superfície dos líquidos: tensão superficial

As moléculas de água interagem muito mais fortemente com suas vizinhas do que com as moléculas do ar, na interface. As moléculas que estão no interior da gota, por exemplo, interagem com outras moléculas em todas as direções; as moléculas da superfície, por outro lado, interagem somente com moléculas que estão nas suas laterais ou logo abaixo.

A superfície dos líquidos: tensão superficial

Pelas representações esquemáticas a seguir pode-se observar as forças de atração entre moléculas na superfície e no interior de um líquido.As moléculas da superfície têm algumas ligações "desconectadas" e/ou não conseguem se ligar completamente ás moléculas ao seu redor. Por isso elas tem excesso de energia livre: tensão superfícial.

A superfície dos líquidos: tensão superficial

Este “desbalanço” de forças intermoleculares faz com que estas moléculas, da superfície, sejam atraídas para o interior do líquido.

Para se remover estas moléculas da superfície é necessário certa quantidade mínima de energia: tensão superficial.

Para a água, isto corresponde a 0,07275 joules/m2, a 20oC.

Líquidos orgânicos, como o benzeno ou o tolueno, tem valores menores de tensão superficial, já que suas interações intermoleculares são mais fracas.

A superfície dos líquidos: tensão superficial

Substância (10 . N/m)

Azeite (20oC) 3,20

Glicerina (20oC) 6,31

Água (60oC) 6,62

Água (20oC) 7,28

Água (0oC) 7,56

Mercúrio (20oC) 46,50

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A superfície dos líquidos: fenômenos de superfície

Muitas mudanças ocorrem na superfície dos líquidos e sólidos.

A superfície de um líquido é onde ocorre, por exemplo, a vaporização e a condensação.

A superfície de um líquido tem propriedades extremamente interessantes, como por exemplo, a tensão superficial.

Você já parou para pensar em como a forma de uma superfície afeta o comportamento de um líquido.

Essas propriedades são modificadas se um soluto está presente e, particularmente, se esse soluto é um agente ativo na superfície.

A superfície dos líquidos: fenômenos de superfície

Efeitos superficiais também afetam profundamente as propriedades de colóides, particularmente suas estabilidades.

Você já parou para pensar nos eventos que têm lugar nas superfícies sólidas (na superfícies dos materiais).

Como os sólidos crescem em suas superfícies e como os detalhes da estrutura e composição das superfícies sólidas são definidos.

Qual à extensão com que uma superfície é coberta (passivação) e qual sua dependência com a pressão e a temperatura.

Como as superfícies afetam a taxa e o curso de uma mudança química atuando como sítios de catálise.

A superfície dos líquidos: fenômenos de superfície

Processos que ocorrem nas superfícies determinam muitos aspectos da vida diária, incluindo a própria vida.

Camadas de moléculas ligadas a superfícies sólidas reduzem a fricção e o desgaste mecânico e inibem a corrosão.

Camadas de moléculas nas superfícies líquidas são usadas para reduzir a taxa de evaporação de água em regiões áridas e suas propriedades são importantes quando se consideram as propriedades e o tratamento de poluentes, como nos derramamentos de óleo no mar.

Processos nas superfícies sólida determinam a viabilidade industrial tanto construtivamente, como na catálise, quanto destrutivamente, como na corrosão.

A superfície dos líquidos: fenômenos de superfície

Processos em camadas superficiais com uma ou duas moléculas de espessura controlam a viabilidade de seres vivos, pois células biológicas têm paredes que consistem de monocamadas ou bicamadas que protegem e mantêm os conteúdos da célula ao mesmo tempo que permitem acesso ao seu interior (osmose).

Reações químicas nas superfícies podem diferir bastante das reações que ocorrem em volumes. Isso é particularmente verdadeiro para reações que ocorrem em superfícies sólidas, onde caminhos de reação com energias de ativação bem menores podem ser disponibilizados, resultando assim em catálise.

A superfície dos líquidos: fenômenos de superfície

As reações também são diferentes em superfícies líquidas, onde podem haver concentrações iônicas significativamente diferentes daquelas dos volumes.

Existe ainda o caso especial das reações nas superfícies de eletrodos (galvanoplastia).

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A superfície dos líquidos: tensão superficialOs líquidos tendem a adotar formas que tornam mínimas a sua área superficial.

As gotículas de um líquido tendem a ser esféricas.

A esfera é a forma geométrica que tem a menor área superficial para um dado volume.

Entretanto, é possível que outras forças também estejam presentes.

Gota achatada devido aforça da gravidade terrestre.

A superfície dos líquidos: tensão superficial

O trabalho necessário para mudar a área superficial σ de uma amostra por uma quantidade infinitesimal dσ é proporcional a dσ, e escrevemos:

dW = γ . dσ

O coeficiente γ é chamado de tensão superficial; suas dimensões são energia/área (J/m2 ou J.m-2). Entretanto, os valores de γ costumam ser apresentados em Newtons por metro (N/m ou N.m-1), pois 1J = 1 N.m).

A superfície dos líquidos: tensão superficialSuperfícies curvas

Uma superfície líquida geralmente não é plana.

O efeito da tensão superficial é minimizar a área superficial.

A minimização de área pode resultar na formação de uma superfície curva, como em uma bolha.

Surgem duas conseqüências devido a esta curvatura, e conseqüentemente, devido a tensão superficial, que são relevantes para as propriedades dos líquidos:1)A pressão de vapor de um líquido depende da curvatura de sua superfície;2)A ascensão (ou descida) capilar de líquidos em tubos estreitos.

A superfície dos líquidos: tensão superficial

Bolhas, cavidades e gotas

Bolha: é uma região em que o vapor (ou ar atmosférico) está aprisionado por uma fina película de líquido (duas superfícies).

Cavidade: é uma região (“um buraco”) preenchido por vapor no interior de um líquido (uma superfície).

O que costuma ser comumente chamado de "bolha" em líquidos é portanto estritamente uma cavidade: bolha de fato têm duas superfícies (uma em cada lado do filme); cavidade tem apenas uma. Os tratamentos de ambas são similares, mas um fator 2 é necessário para bolha de modo a levar em conta a área superficial

dobrada.

Gota (gotícula): é um pequeno volume de líquido em equilíbrio, imerso (circundado) no seu vapor (ou ar atmosférico) (uma superfície).

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A superfície dos líquidos