МІЖФАЗОВА НАПРУЖЕНІСТЬ: ВИЗНАЧЕННЯ, РІВНЯННЯ, ОДИНИЦІ ТА ВИМІРЮВАННЯ - ФІЗИЧНІ - 2025

Міжфазне натяг (γ) є результуюча сила на одиницю довжини , що діє на контактної поверхні між фазою (тверде або рідке) , а інший (твердої, рідкої або газоподібної). Сила сітки вертикальна до контактної поверхні і спрямована до внутрішньої частини фаз.

Коли одна з фаз є газом, її зазвичай називають поверхневим натягом. Фази контакту не змішуються, тобто вони не можуть розчинитися разом, щоб утворити розчин. Область контакту між фазами - це геометрична поверхня поділу, яка називається інтерфейсом. Міжфазовий натяг обумовлений міжмолекулярними силами, присутніми на межі розділу.

Сили між молекулами рідини, що контактують з повітрям

Міжфазове напруження відіграє важливу роль у багатьох міжфазних явищах і процесах, таких як виробництво емульсії та видобуток нафти.

Визначення

Властивості інтерфейсу не збігаються з властивостями всередині фаз, що контактують, тому що виявляються різні молекулярні взаємодії, оскільки в цій області є молекули, що належать як до однієї фази, так і до іншої.

Молекули всередині фази взаємодіють із сусідніми молекулами, які мають подібні властивості. Отже, чиста внутрішня сила дорівнює нулю, оскільки привабливі та відштовхуючі взаємодії однакові у всіх можливих напрямках.

Молекули, що знаходяться на поверхні між двома фазами, оточені молекулами з тієї ж фази, але також сусідніми молекулами з іншої фази.

У цьому випадку сила сітки не дорівнює нулю, і вона спрямована у внутрішню частину фази, в якій спостерігається більша взаємодія. Результатом є те, що енергетичний стан молекул на поверхні більший, ніж енергетичний стан у фазі.

Потужна сила, що діє всередину на одиницю довжини уздовж межі інтерфейсу, є міжфазним натягом. Завдяки цій силі молекули спонтанно прагнуть мінімізувати енергію, мінімізуючи площу поверхні для кожної одиниці об’єму.

Визначення на основі роботи та енергії

Для залучення молекули зсередини на поверхню необхідно, щоб сили, що діють на молекулу, перевищували чисту силу. Іншими словами, потрібні роботи щодо збільшення міжфазної поверхні.

Сили, необхідні для збільшення міжфазного регіону. (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Surface_growing.png)

Чим більша чиста міжмолекулярна сила, тим більше буде виконана робота і більший вклад енергії. З цієї причини міжфазна напруженість також визначається як функція роботи або як функція енергії, як зазначено нижче:

Міжфасовий натяг - це робота, необхідна для створення одиничної області на інтерфейсі. Так само міжфазна напруга визначається як необхідна вільна енергія на одиницю створеної площі.

Рівняння та одиниці міжфазного натягу

Рівняння міжфазного натягу як функції від чистої міжмолекулярної сили дорівнює:

γ = F / 2l

Причиною зниження міжфазної напруги є те, що в міру підвищення температури кінетична енергія збільшується за рахунок збільшення теплового руху молекул.

Вимірювання міжфазної напруги

Існують різні методи експериментального вимірювання міжфазного натягу, серед яких можна вибрати найбільш підходящий відповідно до характерних властивостей фаз, що контактують, та умов експерименту.

Ці методи включають метод Вільгельмі з пластини, кільцевий метод Дю Нуе, метод кульової краплі та обертовий метод краплі.

Метод пластин Вільгельмі

Він складається з вимірювання сили вниз, що чиниться поверхнею рідкої фази на алюмінієвій або скляній пластині. Чиста сила, що діє на пластину, дорівнює вазі плюс сила розтягування. Вага пластини виходить за допомогою мікробалансу, чутливого до кручення, прикріпленого до пластини пристроєм.

Кільцевий метод Дю Нуй

У цьому способі вимірюють силу відокремлення поверхні металевого кільця від поверхні рідини, забезпечуючи, щоб перед вимірюванням кільце повністю занурилося в рідину. Сила розділення дорівнює міжфазному натягу і вимірюється за допомогою високоточної рівноваги.

Метод скидання кулона

Цей метод заснований на вимірюванні деформації краплі, що звисає з капіляра. Падіння утримується в рівновазі, поки воно звисає, оскільки сила розтягування дорівнює вазі краплі.

Подовження краплі пропорційне вазі краплі. Метод заснований на визначенні довжини подовження краплі через її вагу.

Метод скидання кулона

Метод обертання краплі

Метод обертової краплі дуже корисний для вимірювання дуже низьких міжфазних напружень, які застосовуються до процесу виробництва емульсії та мікроемульсії.

Він складається з поміщення краплі менш густої рідини всередину капілярної трубки, наповненої іншою рідиною. Падіння піддається відцентровій силі внаслідок обертового руху з великою швидкістю, яка подовжує падіння на осі і протистоїть силі розтягу.

Міжфазове натяг виходить із розмірів геометричної форми краплі, що деформується, та швидкості обертання.

Список літератури

1. Tadros, T F. Застосовувані поверхнево-активні речовини. Беркшир, Великобританія: Wiley-VCH Verlag Gmbh & Co, 2005.
2. van Oss, C J. Міжфасовні сили у водних середовищах. Флорида, США: Taylor & Francis Group, 2006.
3. Рисунок, L і Тейшейра, А. А. Фізика їжі: фізичні властивості - вимірювання та застосування. Німеччина: Спрінгер, 2007.
4. Антон де Салагер, Р. Е. Міжособистісне напруження. Mérida: FIRP - Universidad de los Andes, 2005.
5. Спейт, Дж. Г. Довідник з аналізу нафтопродуктів. Нью-Джерсі, США: Jhon Wiley & sons, 2015.
6. Адамсон, А. В. і Гаст, А. П. Фізична хімія поверхонь. США: John Wiley & Sons, Inc., 1997.
7. Блант, М. Дж. Багатофазний потік у проникних середовищах: перспектива пори. Кембридж, Великобританія: Cambridge University Press, 2017.