MEDZIFACIÁLNE NAPÄTIE: DEFINÍCIA, ROVNICA, JEDNOTKY A MERANIE - FYZICKÝ - 2026

Medzifázové napätie (γ) je výsledná sila na jednotku dĺžky pôsobiace na kontaktnej ploche medzi fázy (pevné alebo kvapalné) a ďalšie (pevné, kvapalné alebo plynné). Sieťová sila je kolmá na kontaktnú plochu a je nasmerovaná dovnútra fáz.

Ak je jednou z fáz plyn, zvyčajne sa to nazýva povrchové napätie. Fázy, ktoré sú v kontakte, sú nemiešateľné, to znamená, že sa nemôžu spolu rozpustiť za vzniku roztoku. Oblasť kontaktu medzi fázami je geometrický povrch oddelenia nazývaný rozhranie. Medzifaciálne napätie je spôsobené medzimolekulovými silami prítomnými na rozhraní.

Sily medzi molekulami kvapaliny v kontakte so vzduchom

Medzifaciálne napätie hrá dôležitú úlohu v mnohých javoch a procesoch rozhrania, ako je produkcia emulzie a výroba oleja.

definícia

Vlastnosti rozhrania nie sú rovnaké ako vlastnosti vo vnútri kontaktných fáz, pretože sa prejavujú rôzne molekulárne interakcie, pretože v tejto oblasti existujú molekuly, ktoré patria do jednej aj druhej fázy.

Molekuly vo fáze interagujú so susednými molekulami, ktoré majú podobné vlastnosti. V dôsledku toho je čistá vnútorná sila nulová, pretože atraktívne a odpudivé interakcie sú rovnaké vo všetkých možných smeroch.

Molekuly, ktoré sú na povrchu medzi dvoma fázami, sú obklopené molekulami z tej istej fázy, ale tiež susednými molekulami z druhej fázy.

V tomto prípade sieťová sila nie je nula a je nasmerovaná smerom dovnútra fázy, v ktorej dochádza k väčšej interakcii. Výsledkom je, že energetický stav molekúl na povrchu je väčší ako energetický stav vo fáze.

Sieťová sila pôsobiaca dovnútra na jednotku dĺžky pozdĺž rozhrania je medzifázové napätie. V dôsledku tejto sily majú molekuly spontánne tendenciu minimalizovať energiu a minimalizovať povrchovú plochu pre každú jednotku objemu.

Definícia založená na práci a energii

Na pritiahnutie molekuly zvnútra na povrch je potrebné, aby sily pôsobiace na molekulu prekročili sieťovú silu. Inými slovami, je potrebné pracovať na zväčšení povrchu rozhrania.

Sila potrebná na zväčšenie medzifázovej oblasti. (Https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Surface_growing.png)

Čím väčšia je intermolekulárna sila, tým väčšia je práca, ktorá sa má vykonať, a väčší vstup energie. Z tohto dôvodu je medzifázové napätie tiež definované ako funkcia práce alebo ako funkcia energie, ako je uvedené nižšie:

Medzifázové napätie je práca potrebná na vytvorenie jednotkovej oblasti na rozhraní. Podobne je medzifázové napätie definované ako požadovaná voľná energia na vytvorenú jednotku plochy.

Rovnica a jednotky medzifázového napätia

Rovnica medzifázového napätia ako funkcia čistej medzimolekulovej sily je:

y = F / 2l

Dôvodom, prečo sa medzifázové napätie znižuje, je to, že so zvyšujúcou sa teplotou sa zvyšuje kinetická energia v dôsledku zvýšenia tepelného pohybu molekúl.

Meranie medzifázového napätia

Existujú rôzne metódy experimentálneho merania medzifázového napätia, medzi ktorými sa môže vybrať najvhodnejší podľa charakteristických vlastností kontaktných fáz a experimentálnych podmienok.

Medzi tieto metódy patrí metóda Wilhelmyho doštičky, metóda Du Nouyho prstenca, metóda prívesku a metóda rotácie.

Metóda Wilhelmyho doštičky

Pozostáva z merania sily smerom nadol pôsobiacej na povrch kvapalnej fázy na hliníkovú alebo sklenenú dosku. Sieťová sila pôsobiaca na dosku sa rovná hmotnosti plus ťažnej sile. Hmotnosť platne sa získa pomocou torzne citlivej mikrováhy pripevnenej k doske pomocou zariadenia.

Metóda krúžku Du Nouy

Pri tomto spôsobe sa meria sila na oddelenie povrchu kovového prstenca od povrchu kvapaliny, čím sa zabezpečí, že pred meraním je prstenec úplne ponorený do kvapaliny. Oddeľovacia sila sa rovná medzifázovému napätiu a meria sa pomocou vysoko presného vyváženia.

Drop prívesok metóda

Táto metóda je založená na zmeraní deformácie kvapky visiacej z kapiláry. Kvapka je udržiavaná v rovnováhe, zatiaľ čo je zavesená, pretože ťahová sila sa rovná hmotnosti kvapky.

Predĺženie kvapky je úmerné hmotnosti kvapky. Metóda je založená na stanovení dĺžky predĺženia kvapky v dôsledku jej hmotnosti.

Drop prívesok metóda

Metóda rotujúcich kvapiek

Metóda rotácie kvapiek je veľmi užitočná na meranie veľmi nízkeho napätia na rozhraní, ktoré sa aplikuje na proces výroby emulzie a mikroemulzie.

Pozostáva z umiestnenia kvapky menej hustej kvapaliny do kapilárnej rúrky naplnenej inou tekutinou. Pád je vystavený odstredivej sile v dôsledku rotačného pohybu, s veľkou rýchlosťou, ktorá predlžuje pokles na osi a pôsobí proti ťahovej sile.

Medzifázové napätie sa získava z rozmerov geometrického tvaru kvapky, ktorá je deformovaná, a rýchlosti otáčania.

Referencie

1. Tadros, T. F. Aplikované povrchovo aktívne látky. Berkshire, UK: Wiley-VCH Verlag Gmbh & Co, 2005.
2. van Oss, C. J. Interfacial Forces vo vodnom prostredí. Florida, USA: Taylor & Francis Group, 2006.
3. Obrázok, L a Teixeira, A A. Fyzika potravín: Fyzikálne vlastnosti - meranie a aplikácie. Nemecko: Springer, 2007.
4. Anton de Salager, R. E. Interfacial Tension. Mérida: FIRP - Universidad de los Andes, 2005.
5. Speight, J. G. Handbook of Petroleum Product Analysis. New Jersey, USA: Jhon Wiley & synovia, 2015.
6. Adamson, AW a Gast, A. Fyzikálna chémia povrchov. USA: John Wiley & Sons, Inc., 1997.
7. Blunt, M. J. Viacfázový tok v priepustných médiách: perspektíva mierky pórov. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2017.