Napięcie międzyfazowe: definicja, równanie, jednostki i pomiar
Napięcie międzyfazowe (γ) jest siłą netto na jednostkę długości, która jest wywierana na powierzchnię styku pomiędzy jedną fazą (stałą lub ciekłą) a inną (stałą, ciekłą lub gazową). Siła netto jest pionowa względem powierzchni styku i jest skierowana do wnętrza faz.
Gdy jedna z faz jest gazem, zwykle nazywa się to napięciem powierzchniowym . Fazy będące w kontakcie są niemieszalne, to znaczy nie mogą być rozpuszczone razem, aby utworzyć rozwiązanie. Obszar kontaktu między fazami jest geometryczną powierzchnią separacyjną zwaną interfejsem . Napięcie międzyfazowe jest spowodowane siłami międzycząsteczkowymi obecnymi w interfejsie.
Napięcie międzyfazowe odgrywa ważną rolę w wielu zjawiskach i procesach międzyfazowych, takich jak produkcja emulsji i produkcja ropy naftowej.
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, które należą do jednej fazy, jak i do drugiej.
Cząsteczki wewnątrz fazy oddziałują z sąsiednimi cząsteczkami, które mają podobne właściwości. W konsekwencji wewnętrzna siła netto wynosi zero, ponieważ atrakcyjne i odpychające oddziaływania są takie same we wszystkich możliwych kierunkach.
Cząsteczki znajdujące się na powierzchni między dwiema fazami są otoczone cząsteczkami tej samej fazy, ale także sąsiednich cząsteczek drugiej fazy.
W tym przypadku siła netto nie jest zerowa i jest skierowana do wnętrza fazy, w której występuje większa interakcja. W rezultacie stan energetyczny cząsteczek na powierzchni jest większy niż stan energii w fazie.
Siłą netto działającą do wewnątrz na jednostkę długości wzdłuż interfejsu jest napięcie międzyfazowe. Dzięki tej sile cząsteczki spontanicznie mają tendencję do minimalizowania energii poprzez minimalizację pola powierzchni dla każdej jednostki objętości.
Definicja oparta na pracy i energii
Aby przyciągnąć cząsteczkę z wnętrza na powierzchnię, konieczne jest, aby siły działające na cząsteczkę przekroczyły siłę netto. Innymi słowy, wymagana jest praca w celu zwiększenia powierzchni międzyfazowej.
Im większa siła sieci międzycząsteczkowej, tym większa praca do wykonania i większy wkład energii. Z tego powodu napięcie międzyfazowe jest również definiowane zgodnie z pracą lub zależnie od energii, jak wspomniano poniżej:
Napięcie międzyfazowe jest pracą niezbędną do utworzenia jednostki powierzchni na interfejsie. Podobnie napięcie międzyfazowe definiuje się jako wolną energię wymaganą na utworzoną jednostkę powierzchni.
Jednostki równania i napięcia międzyfazowego
Równanie napięcia międzyfazowego jako funkcja siły sieci międzycząsteczkowej wynosi:
γ = F / 2l [1]
F = Siła netto
l = długość interfejsu
Liczba 2, która pojawia się w równaniu [1], oznacza, że istnieją dwie powierzchnie, po jednej dla każdej powierzchni interfejsu.
Napięcie międzyfazowe zgodnie z pracą wymaganą do wygenerowania jednostki powierzchni wyrażone jest następującym równaniem:
γ = W / ΔA [2]
W = Praca
ΔA = Zwiększenie powierzchni
Tworzeniu obszaru międzyfazowego towarzyszy wzrost formacji swobodnej energii.
γ = ΔE / ΔA [3]
ΔE = energia tworzenia się interfejsu
Jednostki napięcia międzyfazowego w systemie międzynarodowym to N / m lub dżul / m2. Powszechnie stosuje się również dinas / cm lub mN / m.
Zależność od temperatury
Jednym z głównych czynników wpływających na napięcie międzyfazowe jest temperatura. Wraz ze wzrostem temperatury zmniejszają się siły oddziaływań, w wyniku czego zmniejsza się również siła sieciowa, która powoduje kurczenie się powierzchni, powodując spadek napięcia międzyfazowego.
Jeśli temperatura będzie nadal rosła, nadejdzie czas, w którym napięcie międzyfazowe zostanie anulowane i nie będzie już żadnego oddzielenia faz. Temperatura, w której napięcie międzyfazowe jest anulowane, nazywa się temperaturą krytyczną ( t c ) .
Powodem spadku napięcia międzyfazowego jest to, że zwiększenie temperatury zwiększa energię kinetyczną w wyniku wzrostu ruchu termicznego cząsteczek.
Pomiar napięcia międzyfazowego
Istnieją różne metody eksperymentalnego pomiaru napięcia międzyfazowego, spośród których można wybrać najbardziej odpowiednie w zależności od charakterystycznych właściwości faz w kontakcie i warunków eksperymentalnych.
Wśród tych metod wymieniono metodę płytki Wilhelmy'ego, metodę pierścienia Du Nouy'ego, metodę kropli i metodę kropli obrotowej.
Metoda płytki Wilhelmy
Polega ona na pomiarze siły skierowanej w dół wywieranej przez powierzchnię fazy ciekłej na płytkę aluminiową lub szklaną. Siła netto wywierana na płytę jest równa masie plus siła naciągu. Ciężar płytki uzyskuje się za pomocą wrażliwej na skręcanie mikrowagi przymocowanej do płytki za pomocą urządzenia.
Metoda pierścieniowa Du Nouy
W tej metodzie mierzy się siłę, aby oddzielić powierzchnię metalowego pierścienia od powierzchni cieczy, upewniając się, że przed pomiarem pierścień jest całkowicie zanurzony w cieczy. Siła rozdzielająca jest równa napięciu międzyfazowemu i jest mierzona za pomocą wagi o wysokiej precyzji.
Oczekująca metoda upuszczania
Metoda ta polega na pomiarze deformacji kropli zwisającej z kapilary. Kropla pozostaje w równowadze, gdy jest zwisająca, ponieważ siła napięcia jest równa masie kropli.
Wydłużenie kropli jest proporcjonalne do ciężaru kropli. Metoda polega na określeniu długości wydłużenia kropli ze względu na jej ciężar.
Obrotowa metoda upuszczania
Metoda kropli obrotowej jest bardzo przydatna do pomiaru bardzo niskich napięć międzyfazowych, które mają zastosowanie w procesie produkcji emulsji i mikroemulsji.
Polega ona na umieszczeniu kropli mniej gęstej cieczy wewnątrz rurki kapilarnej wypełnionej inną cieczą. Spadek poddawany jest sile odśrodkowej z powodu ruchu obrotowego, z dużą prędkością, która wydłuża spadek na wale i przeciwdziała sile naprężenia.
Napięcie międzyfazowe uzyskuje się z wymiarów kształtu geometrycznego kropli, odkształcania i prędkości obrotowej.
