NAPIĘCIE MIĘDZYFAZOWE: DEFINICJA, RÓWNANIE, JEDNOSTKI I MIARA - FIZYCZNY - 2026

Napięcie (γ) jest wypadkowa siła na jednostkę długości, wywieranego na powierzchni kontaktu pomiędzy fazą (stałej lub ciekłej), a druga (ciało stałe, ciecz lub gaz). Siła wypadkowa jest prostopadła do powierzchni styku i skierowana do wnętrza faz.

Kiedy jedna z faz jest gazem, zwykle nazywa się to napięciem powierzchniowym. Fazy ​​w kontakcie są niemieszalne, to znaczy nie mogą się razem rozpuścić, tworząc roztwór. Obszar kontaktu między fazami to geometryczna powierzchnia separacji zwana interfejsem. Napięcie międzyfazowe jest spowodowane siłami międzycząsteczkowymi występującymi na granicy faz.

Siły między cząsteczkami cieczy w kontakcie z powietrzem

Napięcie międzyfazowe odgrywa ważną rolę w wielu zjawiskach i procesach międzyfazowych, takich jak produkcja emulsji i olej.

Definicja

Właściwości interfejsu nie są takie same, jak właściwości wewnątrz stykających się faz, ponieważ manifestują się różne oddziaływania molekularne, ponieważ w tym regionie znajdują się cząsteczki należące zarówno do jednej, jak i drugiej fazy.

Cząsteczki w fazie oddziałują z sąsiednimi cząsteczkami, które mają podobne właściwości. W konsekwencji wewnętrzna siła netto wynosi zero, ponieważ przyciągające i odpychające oddziaływania są takie same we wszystkich możliwych kierunkach.

Cząsteczki, które znajdują się na powierzchni między dwiema fazami, są otoczone przez cząsteczki z tej samej fazy, ale także przez sąsiednie cząsteczki z drugiej fazy.

W tym przypadku siła wypadkowa nie jest zerowa i jest skierowana do wnętrza fazy, w której występuje większe oddziaływanie. W rezultacie stan energetyczny cząsteczek na powierzchni jest większy niż stan energetyczny w fazie.

Siła netto działająca do wewnątrz na jednostkę długości wzdłuż interfejsu to napięcie międzyfazowe. Dzięki tej sile cząsteczki spontanicznie dążą do minimalizacji energii, minimalizując pole powierzchni dla każdej jednostki objętości.

Definicja oparta na pracy i energii

Aby przyciągnąć cząsteczkę od wewnątrz na powierzchnię, konieczne jest, aby siły działające na cząsteczkę przekraczały siłę netto. Innymi słowy, wymagana jest praca, aby zwiększyć powierzchnię międzyfazową.

Siła niezbędna do zwiększenia obszaru międzyfazowego. (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Surface_growing.png)

Im większa siła międzycząsteczkowa netto, tym większa praca do wykonania i większy wkład energii. Z tego powodu napięcie międzyfazowe jest również definiowane jako funkcja pracy lub funkcja energii, jak wspomniano poniżej:

Napięcie międzyfazowe to praca wymagana do stworzenia obszaru jednostkowego na styku. Podobnie, napięcie międzyfazowe definiuje się jako darmową energię wymaganą na jednostkę utworzonej powierzchni.

Równanie i jednostki napięcia międzyfazowego

Równanie napięcia międzyfazowego w funkcji siły międzycząsteczkowej netto jest następujące:

γ = F / 2l

Powodem spadku napięcia międzyfazowego jest to, że wraz ze wzrostem temperatury energia kinetyczna wzrasta z powodu wzrostu ruchu termicznego cząsteczek.

Pomiar napięcia międzyfazowego

Istnieją różne metody doświadczalnego pomiaru napięcia międzyfazowego, spośród których najodpowiedniejsza może być wybrana ze względu na charakterystyczne właściwości faz w kontakcie i warunki eksperymentalne.

Metody te obejmują metodę płytki Wilhelmy'ego, metodę pierścieniową Du Nouy, ​​metodę kropli wiszącej i metodę kropli obrotowych.

Metoda płytkowa Wilhelmy'ego

Polega na pomiarze siły skierowanej w dół, wywieranej przez powierzchnię fazy ciekłej na płytkę aluminiową lub szklaną. Siła netto wywierana na płytę równa się ciężarowi plus siła rozciągająca. Ciężar płyty jest określany przez wrażliwą na skręcanie mikrowagę przymocowaną do płytki za pomocą urządzenia.

Metoda pierścienia Du Nouy

W metodzie tej mierzy się siłę potrzebną do oddzielenia powierzchni metalowego pierścienia od powierzchni cieczy, upewniając się, że przed pomiarem pierścień jest całkowicie zanurzony w cieczy. Siła oddzielająca jest równa napięciu międzyfazowemu i jest mierzona za pomocą wagi o wysokiej precyzji.

Metoda zawieszki typu drop

Metoda ta polega na pomiarze odkształcenia kropli zwisającej z kapilary. Kropla jest utrzymywana w równowadze, gdy jest zawieszona, ponieważ siła rozciągająca jest równa ciężarze kropli.

Wydłużenie kropli jest proporcjonalne do masy kropli. Metoda polega na wyznaczeniu wydłużenia kropli ze względu na jej ciężar.

Metoda zawieszki typu drop

Obrotowa metoda kropli

Metoda wirującej kropli jest bardzo przydatna do pomiaru bardzo niskich napięć międzyfazowych stosowanych w procesie produkcji emulsji i mikroemulsji.

Polega na umieszczeniu kropli mniej gęstej cieczy wewnątrz kapilary wypełnionej inną cieczą. Kropla jest poddawana działaniu siły odśrodkowej w wyniku ruchu obrotowego z dużą prędkością, która wydłuża kroplę na osi i przeciwdziała sile rozciągającej.

Napięcie międzyfazowe uzyskuje się z wymiarów geometrycznego kształtu kropli, która jest odkształcona oraz z prędkości obrotowej.

Bibliografia

1. Tadros, T F. Applied Surfactants. Berkshire, Wielka Brytania: Wiley-VCH Verlag Gmbh & Co, 2005.
2. van Oss, C J. Interfacial Forces in A Water Media. Floryda, USA: Taylor & Francis Group, 2006.
3. Rysunek, L i Teixeira, A. Fizyka żywności: właściwości fizyczne - pomiary i zastosowania. Niemcy: Springer, 2007.
4. Anton de Salager, R. E. Napięcie międzyfazowe. Mérida: FIRP - Universidad de los Andes, 2005.
5. Speight, J G. Handbook of Petroleum Product Analysis. New Jersey, USA: Jhon Wiley & sons, 2015.
6. Adamson, AW and Gast, A P. Physical Chemistry of Surfaces. USA: John Wiley & Sons, Inc., 1997.
7. Blunt, M J. Multiphase Flow in Permeable Media: A Pore-Scale Perspective. Cambridge, Wielka Brytania: Cambridge University Press, 2017.