Likido baten gainazal libreak mintz elastiko baten portaera azaltzen du. Likidoek duten ezaugarri horri gainazal-tentsio deritzo, eta σ letra grekoaz izendatzen da (γ eta T ere nahiko hedatuak dira).

Likidoa ikuspegi molekular baten bidez aztertuz gero, mintz elastiko horren zergatia erraz antzematen da. Likidoak ez du hedatzeko gaitasunik eta, ondorioz, gas batekin kontaktuan jartzen denean, gainazal libre bat eratzen da. Likidoaren gainazal libre horretan dagoen molekula batek eta likidoaren barnean sakonago dagoen beste likido-molekula batek jasaten dituzten indarrak ezberdinak izango dira nabarmenki. Sakoneko molekula guztiz simetrikoki inguratuta dago beste molekulez eta, ondorioz, orekan dago, molekulen arteko Van der Waalsen kohesio-indarrak jasaten baititu norabide guztietan.

Gainazal librean kokatutako molekulek eta sakoneko molekulek jasaten dituzten kohesio-indar ezberdinen arteko konparazio eskematikoa

Gainazal librean kokatutako molekula behealdetik beste likido-molekulez inguratuta dago, baina goialdetik, ordea, ez. Hortaz, gainazaleko molekulek kohesio-indar erresultante baten eragina izango dute likidoaren barrualderantz. Horrela, likidoak konfiguraziorik egonkorrena lortzeko joera naturala izango du, hots, energia minimizatzen duen konfigurazioa lortzekoa. Kohesio-indarrak grabitate-indarrak baino handiagoak diren bitartean, beraz, likidoak faseartearen azalera txikiagotzeko joera naturala izango du. Horrek argitzen du tantek eta burbuilek itxura esferikoa hartzeko duten joera (ikus hurrengo irudia), esfera baita azaleraren eta bolumenaren arteko proportziorik txikiena duen geometria.

Gainazal-tentsioa dela eta, likidoek itxura esferikoa hartzeko joera dute (iturria: © Luc Viatour)

Azaldutakoaren arabera, gainazal librean kokatutako partikularen energia ezberdina da, eta definizio berri bat eman daiteke gainazal-tentsioa zehazteko: gas batekin kontaktuan dagoen likidoaren gainazal librearen energia azalera-unitateko. Definizio horren arabera, Nazioarteko Sisteman, σ J/m2-tan neurtzen da. Sarritan, gainazal-tentsioa aztertzeko, energia erabili beharrean, indarraren bidezko interpretazioa erabiltzen da. Horrela, gainazal-tentsioa likido baten gainazal librearen indarra luzera-unitateko izango da, eta Nazioarteko Sisteman N/m-tan neurtzen da.

Gainazal-tentsioaren balioak fluido-bikotearen eta tenperaturaren menpekotasuna du soilik.

Zenbait likidoren gainazal-tentsioaren balioa airearekin kontaktuan

Tenperatura kritikoan, likidoa eta gasa ez dira bereizten eta, hortaz, muga horretan gainazal-tentsioaren balioa zero izango da definizioz, gainazal librerik ez baitago. Berezitasun horrek agerian uzten du gainazal-tentsioaren eta tenperaturaren arteko erlazioa. Oro har, likido gehienetan, gainazal-tentsioaren balioa jaitsi egiten da tenperatura handitu ahala. Gainazal-tentsioak tenperaturarekiko duen menpekotasun hori pseudoenpirikoki balioztatzen da.

Likidoa gas batekin kontaktuan egon beharrean beste likido nahastezin batekin kontaktuan egonez gero, mintz elastikoaren portaera ere agertuko da, azterketa analogo baten bidez ondoriozta daitekeenez. Kasu horretan, bi likidoen fasearteak duen mintz elastikoaren portaera aurpegi arteko tentsio izendatzen da.

Gainazal-tentsioaren adibideak eguneroko bizitzan aurki daitezke: dentsitate handiko objektuek (eltxoek edo josteko orratz batek, esaterako) ur gainean mantentzeko duten gaitasuna; zurrustak nola apurtzen diren edo grabitaterik ez dagoenean tantak nola eratzen diren; xaboi-burbuilak; ardoaren tantak beirazko edalontzian; garbigarriek urari nola eragiten dioten ehunak errazago zeharkatzeko (surfaktanteak), etab.

Ukipen-angelua

Likido-tanta bat gainazal solido baten gainean dagoenean, hiru fasearte nabari daitezke, eta horietako bakoitzari gainazal-tentsioaren balio bat egokitu dakioke:

• Likido-gas faseartea, σ LG, (oro har, likido-fluido faseartea).

• Solido-likido faseartea, σSL.

• Solido-gas faseartea, σSGL, (oro har, solido-fluido faseartea).

Kasu horretan, θ ukipen-angelua defini daiteke, hiru fasearteek bat egiten duten puntuan likido-gas fasearteak solidoak duen ukipen-lerroaren tangentearekin eratzen duen angelua, hain zuzen ere. Ukipen-angelu hori 90° baino handiagoa bada, likidoak solidoa busti egiten du. Ukipen-angelu hori 90° baino txikiagoa bada, ordea, likidoak ez du solidoa bustitzen. Urak beira busti egiten du, airea tarteko denean; merkurioak, ordea, ez du beira bustitzen kasu horretan.

Ukipen-angelua (a) ura-airea beirarekin kontaktuan, θ < 90°, urak beira busti egiten du; (b) merkurioa-airea beirarekin kontaktuan, θ > 90°, merkurioak ez du beira bustitzen

Kapilaritatea

Gainazal-tentsioa dela eta, likidoek hodi estuetan gora eta behera egin dezakete kanpoko indarren eraginik gabe. Likidoek duten ezaugarri horri kapilaritate deritzo. Horrelakoetan, likido-molekulen arteko kohesio-indarrek eta likido-solido arteko erakarpen-indarrek parte hartzen dute, eta bi kasu ager daitezke (ikus hurrengo irudia).

• Erakarpen-indarren balioa kohesio-indarren balioa baino handiagoa izatea: kasu horretan, ukipen-angelua 90° baino txikiagoa izango da, likidoak solidoa busti egingo du, eta gora egingo du hodiaren barruan; hala, goranzko menisko bat eratuko du.

  Adibidea: ura eta beira airearekin kontaktuan; zuhaitzak ere kapilaritateaz baliatzen dira izerdia elikagai moduan erroetatik hostoetara eramateko.

• Erakarpen-indarren balioa kohesio-indarren balioa baino txikiagoa izatea: kasu horretan, ukipen-angelua 90° baino handiagoa izango da, likidoak solidoa ez du bustiko, eta behera egingo du hodiaren barruan; hala, beheranzko menisko bat eratuko du.

  Adibidea: merkurioa eta beira airearekin kontaktuan.

Kapilaritatea

Hodiaren diametroa zenbat eta txikiagoa izan, kapilaritatearen fenomenoa nabarmenagoa da, Jurinen legearen arabera: hodiaren diametroaren eta hodian zehar likidoa igo/jaitsi den altueraren arteko biderkadura konstante mantentzen da likido-solido bikote bakoitzarentzat tenperatura jakin batean.

Neurketa: indarraren bidezko metodoak, itxuraren, burbuilaren presio maximoa

Gainazal-tentsioaren eragina era ezberdinetan adierazten denez, hainbat bide garatu dira balioaren neurketarako. Horrela, fluido-bikotearen eta neurketa-baldintzen arabera, bide egokiena aukeratuko da kasu bakoitzean. σ-ren balioa lortzeko metodoak jarraian adierazten den moduan sailka daitezke:

Indarraren neurketaz baliatzen diren metodoak

Metodo hauek indarren neurketan oinarritzen dira gainazal-tentsioaren (edo aurpegi arteko tentsioaren) balioa lortzeko, azken finean gainazal librearen indarra baita luzera-unitateko.

Tantaren pisua

Kasu honetan, gainazal-tentsioaren balioa lortzeko, hodi kapilar bertikal bat erabiltzen da. Hodi kapilar hori likidoz betetzen da, eta hodiaren behealdeko muturrean likidoaren tanta bat eratzen da. Tanta handitu ahala, bere pisua ere handitu egiten da, eta une jakin batean tanta kapilarretik askatu egingo da grabitatearen eraginez. Egoera kritikoan, kapilarretik askatzear dagoenean, grabitatearen indarrak beherantz eragiten dio, eta gainazal-tentsioaren indarrak gorantz; hortaz, sistema orekan mantentzen da. Oreka-egoera kritiko horretan, tantaren pisua neurtuz, gainazal-tentsioaren balioa ondoriozta daiteke, hodi kapilarraren erradioa ezaguna baita.

Eraztunaren metodoa (Du Noüyren metodoa)

Metodo honen arabera, gainazal-tentsioaren balioa ezagutzeko, eraztun txiki bat erabiltzen da. Likidoan guztiz murgiltzen da eraztun hori, eta apurka-apurka, goranzko indar baten bidez, tiratu egiten zaio eraztunari. Une jakin batean, eraztunak likidotik ihes egiten du, eta gainazal libreak eratutako mintz elastikoa apurtzen du. Une horretan neurtutako indarra maximoa izango da, indar horrek eraztunaren pisua eta likidoaren gainazal-tentsioak eragindako indarra gainditzen dituenean. Eraztunaren geometria ere ezaguna denez, oreka-egoera kritiko hori aztertuz gainazal-tentsioaren balioa kalkula daiteke.

Wilhelmy platera

Eraztunaren metodoaren oinarri berbera du metodo honek, baina, eraztun bat erabili beharrean, plater bertikal estu bat erabiltzen da. Geometria sinpleagoa denez, kalkuluak ere sinplifikatzen dira neurri batean.

Itxuraren azterketaz baliatzen diren metodoak

Metodo hauek, indarren neurketa egin beharrean, likido-tanta baten itxura aztertzen dute. Aurreko atalean bezalaxe, oreka-egoera kritiko bat finkatzen da, kanpoko indarrak eta gainazal-tentsioari dagozkion indarrak berdinduz. Egoera horretan eratzen den tantaren itxura aztertuz, gainazal-tentsioaren balioak lortzen dira. Kanpoko indarrik ez badago, tanta guztiz esferikoak lortzen dira. Kanpoko indarrak agertzean, ordea, tantaren itxura distortsionatu egiten da.

Tantaren itxura

Grabitate-indarra erabiltzen da kanpoko indar moduan. Lortzen den tantak ardatz bertikal batekiko simetria izango du, eta bere itxura digitalki aztertzen da; hala, hainbat aldagai geometrikoren balioak lortzen dira. Balio horiek kalkulu teorikoekin parekatuz, likidoaren gainazal-tentsioa ondorioztatzen da.

Zilindro birakorra

Kasu honetan, grabitate-indarra erabili beharrean, indar zentrifugoa erabiltzen da tantaren geometria distortsionatzeko. Fluido burbuila bat sartzen da likidoz beteta dagoen hodi kapilar horizontal batean. Hodi hori birarazten da, eta indar zentrifugoak burbuila distortsionatzen du. Berriro ere burbuilaren geometria zehaztasun handiz neurtu eta gero, gainazal-tentsioaren balioa lortzen da.

Burbuilaren presio maximoaren metodoa (Jaegerren metodoa)

Hodi kapilar bat bertikalki murgiltzen da likidoan, eta ondoren airea apurka-apurka ziztatzen da. Likidoan burbuilak eratzen dira, eta, horiek eratzeko erabili daitekeen presio maximoa neurtuz, gainazal-tentsioa kalkula daiteke.