MEZIFACIÁLNÍ NAPĚTÍ: DEFINICE, ROVNICE, JEDNOTKY A MĚŘENÍ - FYZICKÝ - 2025

Mezifázové napětí (γ) je výsledná síla na jednotku délky působící na kontaktní ploše mezi fáze (pevné nebo kapalné) a další (pevné, kapalné nebo plynné). Síťová síla je svislá k kontaktní ploše a směřuje dovnitř fází.

Když je jednou z fází plyn, obvykle se nazývá povrchové napětí. Fáze, které jsou ve styku, jsou nemísitelné, to znamená, že se nemohou rozpouštět společně, aby vytvořily roztok. Oblast kontaktu mezi fázemi je geometrický povrch oddělení nazývaný rozhraní. Mezifaciální napětí je způsobeno mezimolekulárními silami přítomnými na rozhraní.

Síly mezi molekulami kapaliny v kontaktu se vzduchem

Mezifaciální napětí hraje důležitou roli v mnoha jevech rozhraní a procesů, jako je produkce emulze a produkce oleje.

Definice

Vlastnosti rozhraní nejsou stejné jako vlastnosti uvnitř fází kontaktu, protože se projevují různé molekulární interakce, protože v této oblasti existují molekuly, které patří do jedné i druhé fáze.

Molekuly ve fázi interagují se sousedními molekulami, které mají podobné vlastnosti. V důsledku toho je síťová vnitřní síla nulová, protože atraktivní a odpudivé interakce jsou ve všech možných směrech stejné.

Molekuly, které jsou na povrchu mezi dvěma fázemi, jsou obklopeny molekulami ze stejné fáze, ale také sousedními molekulami z druhé fáze.

V tomto případě síťová síla není nula a je nasměrována směrem dovnitř fáze, ve které dochází k větší interakci. Výsledkem je, že energetický stav molekul na povrchu je větší než energetický stav ve fázi.

Síťová síla působící dovnitř na jednotku délky podél rozhraní je napětí rozhraní. V důsledku této síly mají molekuly spontánní tendenci minimalizovat energii a minimalizovat povrchovou plochu pro každou jednotku objemu.

Definice založená na práci a energii

K přilákání molekuly zevnitř na povrch je nutné, aby síly působící na molekulu překročily síťovou sílu. Jinými slovy, je třeba pracovat na zvětšení rozhraní.

Síla nutná ke zvýšení mezifázové oblasti. (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Surface_growing.png)

Čím větší je intermolekulární síla sítě, tím větší je třeba vykonat práci a tím větší je příkon energie. Z tohoto důvodu je rozhraní rozhraní také definováno jako funkce práce nebo jako funkce energie, jak je uvedeno níže:

Mezifaciální napětí je práce nutná k vytvoření oblasti jednotky na rozhraní. Podobně je mezifázové napětí definováno jako volná energie potřebná na vytvořenou jednotku plochy.

Rovnice a jednotky mezifázového napětí

Rovnice mezifázového napětí jako funkce čisté intermolekulární síly je:

y = F / 2l

Důvodem, proč se mezifázové napětí snižuje, je to, že se vzrůstající teplotou se zvyšuje kinetická energie v důsledku zvýšení tepelného pohybu molekul.

Měření mezifázového napětí

Existují různé metody experimentálního měření mezifázového napětí, mezi nimiž lze vybrat nejvhodnější podle charakteristických vlastností kontaktních fází a experimentálních podmínek.

Tyto metody zahrnují metodu Wilhelmyho desky, metodu Du Nouyho prstence, metodu zavěšené kapky a metodu rotační kapky.

Wilhelmyho metoda

Spočívá v měření síly dolů působící na povrch kapalné fáze na hliníkovou nebo skleněnou desku. Síťová síla vyvíjená na desku se rovná hmotnosti plus tahové síle. Hmotnost destičky se získá torzně citlivou mikrobalancí připojenou k destičce zařízením.

Du Nouy prstencová metoda

Při tomto způsobu se měří síla oddělující povrch kovového prstence od povrchu kapaliny, čímž se zajistí, že před měřením je prstenec zcela ponořen do kapaliny. Separační síla je stejná jako mezifázové napětí a měří se s použitím přesného vyvážení.

Přetahovací metoda

Tato metoda je založena na měření deformace kapky visící z kapiláry. Kapka je udržována v rovnováze, zatímco je zavěšena, protože tahová síla se rovná hmotnosti kapky.

Prodloužení kapky je úměrné hmotnosti kapky. Metoda je založena na stanovení délky protažení v důsledku její hmotnosti.

Přetahovací metoda

Metoda rotující kapky

Metoda rotující kapky je velmi užitečná pro měření velmi nízkého napětí na rozhraní, které se aplikuje na proces výroby emulze a mikroemulze.

Spočívá v umístění kapky méně husté kapaliny do kapilární trubice naplněné jinou tekutinou. Pád je vystaven odstředivé síle díky rotačnímu pohybu, s velkou rychlostí, která prodlužuje pokles na ose a působí proti tahové síle.

Mezifázové napětí je získáno z rozměrů geometrického tvaru kapky, která je deformována, a rychlosti otáčení.

Reference

1. Tadros, T. F. Applied Surfactants. Berkshire, UK: Wiley-VCH Verlag Gmbh & Co, 2005.
2. van Oss, C J. Interfacial Forces ve vodném prostředí. Florida, USA: Taylor & Francis Group, 2006.
3. Obrázek, L a Teixeira, A A. Fyzika potravin: Fyzikální vlastnosti - měření a aplikace. Německo: Springer, 2007.
4. Anton de Salager, R. E. Interfacial Tension. Mérida: FIRP - Universidad de los Andes, 2005.
5. Speight, J. G. Příručka analýzy ropných produktů. New Jersey, USA: Jhon Wiley & synové, 2015.
6. Adamson, AW a Gast, P. Fyzikální chemie povrchů. USA: John Wiley & Sons, Inc., 1997.
7. Blunt, M. J. Vícefázový tok v propustném médiu: perspektiva pórového měřítka. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2017.