INTERFACIAL SPENNING: DEFINISJON, LIGNING, ENHETER OG MÅLING - FYSISK - 2025

Den grenseflatespenning (γ) er den netto kraft per lengdeenhet som utøves på kontaktflaten mellom en fase (fast eller flytende) og en annen (fast, flytende eller gassformet). Nettokraften er vertikal mot kontaktflaten og er rettet mot fasene innvendig.

Når en av fasene er en gass, kalles det vanligvis overflatespenning. Fasene i kontakt er ikke blandbare, det vil si at de ikke kan oppløses sammen for å danne en løsning. Kontaktområdet mellom fasene er en geometrisk separasjonsoverflate som kalles grensesnittet. Grensesnittstrekk skyldes intermolekylære krefter som er tilstede i grensesnittet.

Krefter mellom molekyler av en væske i kontakt med luft

Interfacial spenning spiller en viktig rolle i mange grensesnittfenomener og -prosesser som emulsjonsproduksjon og oljeproduksjon.

Definisjon

Egenskapene til grensesnittet er ikke de samme som egenskapene i fasene i kontakt, fordi forskjellige molekylære interaksjoner manifesteres fordi det i det området er molekyler som tilhører både den ene fasen og den andre.

Molekyler i en fase samvirker med nabomolekyler, som har lignende egenskaper. Følgelig er den indre interiørkraften null fordi de attraktive og frastøtende samhandlingene er de samme i alle mulige retninger.

Molekylene som er på overflaten mellom de to fasene er omgitt av molekyler fra samme fase, men også av nabomolekyler fra den andre fasen.

I dette tilfellet er nettokraften ikke null, og den rettes mot det indre av fasen der det er større samhandling. Resultatet er at energitilstanden til molekylene på overflaten er større enn energitilstanden i fasen.

Nettokraften som virker innover per lengdeenhet langs grensesnittet, er grenseflatespenningen. På grunn av denne kraften har molekyler spontant en tendens til å minimere energi, og minimere overflaten for hver volumenhet.

Definisjon basert på arbeid og energi

For å tiltrekke et molekyl fra innsiden til overflaten er det nødvendig at kreftene som virker på molekylet overskrider nettokraften. Med andre ord, det kreves arbeid for å øke grensesnittoverflaten.

Kraft nødvendig for å øke grensesnittregionen. (Https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Surface_growing.png)

Jo større netto intermolekylær kraft, jo større arbeid som skal utføres, og desto større energiinngang. Av denne grunn er grensesnittspenning også definert som en funksjon av arbeid eller som en funksjon av energi, som nevnt nedenfor:

Grensesnittstrekk er arbeidet som kreves for å lage et enhetsområde ved grensesnittet. På samme måte defineres grensesnittstrekk som den frie energien som kreves per opprettet enhetsareal.

Ligning og enheter av grensesnittstrekk

Ligningen av grensesnittspenningen som en funksjon av den intermolekylære kraften er:

y = F / 2l

Årsaken til at grensesnittets spenning avtar er at når temperaturen øker, øker den kinetiske energien på grunn av økningen i den termiske bevegelsen til molekylene.

Måling av grensesnittspenning

Det er forskjellige metoder for eksperimentell måling av grensesnittets spenning, blant hvilke de mest egnede kan velges i henhold til de karakteristiske egenskapene til fasene i kontakt og de eksperimentelle forholdene.

Disse metodene inkluderer Wilhelmy plate-metoden, Du Nouy-ringmetoden, pendeldroppmetoden og rotasjonsdråpemetoden.

Wilhelmy plate metode

Den består av å måle den nedadgående kraften som utøves av overflaten av en væskefase på en aluminiums- eller glassplate. Nettokraften som utøves på platen tilsvarer vekten pluss strekkraften. Vekten av platen oppnås ved en torsjonsfølsom mikrobalanse festet til platen av en anordning.

Du Nouy-ringmetoden

I denne metoden måles kraften til å skille overflaten til en metallring fra en væskeoverflate og sikrer at ringen før måling er helt nedsenket i væsken. Separasjonskraften er lik grensesnittets spenning og måles ved hjelp av en høy presisjonsbalanse.

Drop anhengsmetode

Denne metoden er basert på å måle deformasjonen av en dråpe som henger fra en kapillær. Dråpen holdes i balanse mens den henger fordi strekkraften tilsvarer vekten til dråpen.

Forlengelsen av dråpen er proporsjonal med vekten til dråpen. Metoden er basert på å bestemme dråpets forlengelseslengde på grunn av dens vekt.

Drop anhengsmetode

Roterende slippmetode

Rotasjonsdråpe-metoden er veldig nyttig for å måle meget lave grenseflatespenninger som blir anvendt på emulsjon og mikroemulsjonsproduksjonsprosess.

Den består av å legge en dråpe mindre tett væske inne i et kapillarrør fylt med en annen væske. Dråpen utsettes for en sentrifugalkraft på grunn av en roterende bevegelse, med stor hastighet, som forlenger dråpet på aksen og motarbeider strekkraften.

Grensesnittets spenning oppnås fra dimensjonene til den geometriske formen til dråpet, deformeres og rotasjonshastigheten.

referanser

1. Tadros, T F. Anvendte overflateaktive stoffer. Berkshire, Storbritannia: Wiley-VCH Verlag Gmbh & Co, 2005.
2. van Oss, C J. Interfacial Forces in Aqueous Media. Florida, USA: Taylor & Francis Group, 2006.
3. Figur, L og Teixeira, A A. Matfysikk: Fysiske egenskaper - Måling og bruksområder. Tyskland: Springer, 2007.
4. Anton de Salager, R E. Interfacial Tension. Mérida: FIRP - Universidad de los Andes, 2005.
5. Speight, J G. Håndbok for petroleumproduktanalyse. New Jersey, USA: Jhon Wiley & sons, 2015.
6. Adamson, AW og Gast, A P. Physical Chemistry of Surfaces. USA: John Wiley & Sons, Inc., 1997.
7. Blunt, M J. Flerfasestrøm i permeable medier: Et poreskala-perspektiv. Cambridge, Storbritannia: Cambridge University Press, 2017.