МЕЖДУФАЗНО НАПРЕЖЕНИЕ: ОПРЕДЕЛЕНИЕ, УРАВНЕНИЕ, ЕДИНИЦИ И ИЗМЕРВАНЕ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

На повърхностното напрежение (γ) е нетната сила на единица дължина, упражняван върху контактната повърхност между фаза (твърди или течни) и друг (твърдо, течно или газообразно състояние). Силата на мрежата е вертикална спрямо контактната повърхност и е насочена към вътрешността на фазите.

Когато една от фазите е газ, обикновено се нарича повърхностно напрежение. Фазите в контакт са несмесими, т.е. не могат да се разтворят заедно, за да образуват разтвор. Областта на контакт между фазите е геометрична повърхност на разделяне, наречена интерфейс. Междуфазното напрежение се дължи на междумолекулни сили, присъстващи на интерфейса.

Сили между молекули на течност в контакт с въздух

Междуфазното напрежение играе важна роля в много междуфазни явления и процеси като производство на емулсия и производство на масло.

дефиниция

Свойствата на интерфейса не са същите като свойствата във фазите в контакт, тъй като се проявяват различни молекулни взаимодействия, тъй като в този регион има молекули, които принадлежат както на едната, така и на другата фаза.

Молекулите във фаза взаимодействат със съседните молекули, които имат подобни свойства. Следователно нетната вътрешна сила е нула, тъй като атрактивните и отблъскващи взаимодействия са еднакви във всички възможни посоки.

Молекулите, които са на повърхността между двете фази, са заобиколени от молекули от една и съща фаза, но и от съседни молекули от другата фаза.

В този случай нетната сила не е нула и се насочва към вътрешността на фазата, в която има по-голямо взаимодействие. Резултатът е, че енергийното състояние на молекулите на повърхността е по-голямо от енергийното състояние във фазата.

Нетната сила, действаща навътре на единица дължина по протежение на интерфейса, е междуфазното напрежение. Благодарение на тази сила, молекулите спонтанно са склонни да минимизират енергията, свеждайки до минимум повърхностната площ за всяка единица обем.

Определение въз основа на работа и енергия

За да привлечете молекула отвътре към повърхността, е необходимо силите, действащи върху молекулата, да надвишават нетната сила. С други думи, е необходима работа за увеличаване на междуфазната повърхност.

Сила, необходима за увеличаване на междуфазния регион. (Https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Surface_growing.png)

Колкото по-голяма е нетната междумолекулна сила, толкова по-голяма е работата, която трябва да се свърши и по-големият вход на енергия. По тази причина междуфазното напрежение се дефинира и като функция на работа или като функция на енергия, както е споменато по-долу:

Междуфазното напрежение е работата, необходима за създаване на единица зона в интерфейса. По същия начин междуфазното напрежение се определя като необходимата свободна енергия за единица създадена площ.

Уравнение и единици на междуфазното напрежение

Уравнението на междуфазното напрежение като функция на нетната междумолекулна сила е:

γ = F / 2l

Причината, поради която междуфазното напрежение намалява, е, че с повишаване на температурата кинетичната енергия се увеличава поради увеличаването на топлинното движение на молекулите.

Измерване на междуфазното напрежение

Съществуват различни методи за експериментално измерване на междуфазното напрежение, сред които може да се избере най-подходящият според характерните свойства на фазите в контакт и експерименталните условия.

Тези методи включват метод на плоча Вилхелми, метод на пръстена Du Nouy, ​​метод на висяща капка и метод на въртяща се капка.

Метод на Вилхелми плоча

Състои се от измерване на силата надолу, упражнена от повърхността на течна фаза върху алуминиева или стъклена плоча. Нетната сила, упражнена върху плочата, е равна на теглото плюс силата на опън. Теглото на плаката се получава чрез микробаланс, чувствителен към усукване, прикрепен към плочата от устройство.

Метод на пръстен Du Nouy

При този метод се измерва силата за отделяне на повърхността на метален пръстен от течна повърхност, като се гарантира, че преди измерването пръстенът е изцяло потопен в течността. Силата на разделяне е равна на междуфазното напрежение и се измерва с помощта на високо прецизен баланс.

Метод за пускане на висулка

Този метод се основава на измерване на деформацията на капка, висяща от капиляр. Капката се поддържа в баланс, докато виси, защото силата на опън е равна на теглото на капката.

Удължението на капката е пропорционално на теглото на капката. Методът се основава на определяне на дължината на удължението на капката поради теглото му.

Метод за пускане на висулка

Метод на въртене на капки

Методът на въртяща се капка е много полезен за измерване на много ниско междуфазно напрежение, което се прилага при процеса на производство на емулсия и микроемулсия.

Състои се от поставяне на капка по-малко гъста течност вътре в капилярна тръба, напълнена с друга течност. Капката се подлага на центробежна сила поради въртящо се движение, с голяма скорост, което удължава пада на оста и се противопоставя на силата на опън.

Междуфазното напрежение се получава от размерите на геометричната форма на капката, която се деформира, и скоростта на въртене.

Препратки

1. Tadros, T F. Приложени повърхностно активни вещества. Беркшир, Великобритания: Wiley-VCH Verlag Gmbh & Co, 2005.
2. van Oss, C J. Междуфасовни сили във водни среди. Флорида, САЩ: Taylor & Francis Group, 2006.
3. Фигура, L и Teixeira, A A. Физика на храните: Физични свойства - измерване и приложения. Германия: Springer, 2007.
4. Антон де Салагер, R E. Междуфазна напрежение. Mérida: FIRP - Universidad de los Andes, 2005.
5. Speight, J G. Наръчник за анализ на петролни продукти. Ню Джърси, САЩ: Jhon Wiley & sons, 2015.
6. Адамсън, AW и Gast, A P. Физическа химия на повърхностите. САЩ: John Wiley & Sons, Inc., 1997.
7. Блънт, M J. Многофазен поток в пропускливи среди: перспектива на порите. Кеймбридж, Великобритания: Cambridge University Press, 2017.