INTERFACIAL SPÄNNING: DEFINITION, EKVATION, ENHETER OCH MÄTNING - FYSISK - 2025

Den gränsytspänningen (γ) är nettokraften per längdenhet som utövas på kontaktytan mellan en fas (fast eller flytande) och en annan (fast, flytande eller gasformigt). Nettokraften är vertikal mot kontaktytan och riktas mot faserna inuti.

När en av faserna är en gas kallas det vanligtvis ytspänning. Faserna i kontakt är oblandbara, det vill säga de kan inte upplösas tillsammans för att bilda en lösning. Kontaktområdet mellan faserna är en geometrisk separationsyta som kallas gränssnittet. Interfacial spänning beror på intermolekylära krafter som finns på gränssnittet.

Krafter mellan molekyler av en vätska i kontakt med luft

Interfacial spänning spelar en viktig roll i många gränssnittfenomen och processer såsom emulsionsproduktion och oljeproduktion.

Definition

Gränssnittsegenskaperna är inte desamma som egenskaperna i faserna i kontakt, eftersom olika molekylära interaktioner manifesteras eftersom det i det området finns molekyler som tillhör både en fas och en annan.

Molekyler inom en fas interagerar med angränsande molekyler, som har liknande egenskaper. Följaktligen är den inre inre kraften noll eftersom de attraktiva och avvisande interaktionerna är desamma i alla möjliga riktningar.

Molekylerna som finns på ytan mellan de två faserna är omgivna av molekyler från samma fas men också av angränsande molekyler från den andra fasen.

I detta fall är nettokraften inte noll och den riktas mot det inre av fasen där det finns större interaktion. Resultatet är att energitillståndet för molekylerna på ytan är större än energitillståndet i fasen.

Nettokraften som verkar inåt per enhetslängd längs gränssnittet är gränsytespänningen. På grund av denna kraft tenderar molekyler spontant att minimera energi, vilket minimerar ytarean för varje volymenhet.

Definition baserad på arbete och energi

För att locka en molekyl från insidan till ytan är det nödvändigt att krafterna som verkar på molekylen överskrider nettokraften. Med andra ord krävs arbete för att öka gränsytan.

Krafta som krävs för att öka gränsytaregionen. (Https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Surface_growing.png)

Ju större intermolekylär netto, desto större arbete som ska göras och desto större energiinmatning. Av detta skäl definieras gränsytespänningen också som en funktion av arbetet eller som en funktion av energi, som nämns nedan:

Gränssnittsspänning är det arbete som krävs för att skapa ett enhetsområde vid gränssnittet. På samma sätt definieras gränsytespänningen som den fria energin som krävs per enhet skapad enhet.

Ekvation och enheter av gränsytespänning

Ekvationen av gränsytespänningen som funktion av den intermolekylära kraften är:

y = F / 2l

Anledningen till att gränsytespänningen minskar är att när temperaturen ökar, ökar den kinetiska energin på grund av ökningen av den termiska rörelsen hos molekylerna.

Mätning av gränsytespänningen

Det finns olika metoder för experimentell mätning av gränsytespänningen, bland vilka de mest lämpliga kan väljas utifrån de karakteristiska egenskaperna för faserna i kontakt och de experimentella förhållandena.

Dessa metoder inkluderar metoden Wilhelmy-plattan, Du Nouy-ringmetoden, hänge-droppmetoden och den roterande droppmetoden.

Wilhelmy plattmetod

Den består av att mäta den nedåtgående kraften som utövas av ytan av en vätskefas på en aluminium- eller glasplatta. Nettokraften som utövas på plattan är lika med vikten plus dragkraften. Plåtens vikt erhålls genom en torsionskänslig mikrobalans fäst till plattan av en anordning.

Du Nouy ringmetod

I denna metod mäts kraften att separera ytan på en metallring från en vätskeyta, vilket säkerställer att ringen före mätningen är helt nedsänkt i vätskan. Separationskraften är lika med gränsytespänningen och mäts med hjälp av en hög precisionsbalans.

Släpp hänge metod

Denna metod är baserad på att mäta deformationen av en droppe som hänger från en kapillär. Droppen hålls i balans medan den hänger eftersom dragkraften är lika med droppens vikt.

Droppens förlängning är proportionell mot droppens vikt. Metoden är baserad på att bestämma droppens längd på grund av dess vikt.

Släpp hänge metod

Roterande droppmetod

Den roterande droppmetoden är mycket användbar för att mäta mycket låga gränsytespänningar som appliceras på emulsions- och mikroemulsionsprocessen.

Den består av att placera en droppe av en mindre tät vätska inuti ett kapillärrör fyllt med en annan vätska. Droppen utsätts för en centrifugalkraft på grund av en roterande rörelse, med stor hastighet, som förlänger droppet på axeln och motsätter dragkraften.

Gränssnittsspänningen erhålls från dimensionerna av den geometriska formen på droppet, som deformeras och rotationshastigheten.

referenser

1. Tadros, T F. Tillämpade ytaktiva medel. Berkshire, Storbritannien: Wiley-VCH Verlag Gmbh & Co, 2005.
2. van Oss, C J. Interfacial Forces in Aqueous Media. Florida, USA: Taylor & Francis Group, 2006.
3. Figur, L och Teixeira, A A. Matfysik: Fysikaliska egenskaper - Mätning och tillämpningar. Tyskland: Springer, 2007.
4. Anton de Salager, R E. Interfacial Tension. 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 och Gast, A P. Physical Chemistry of Surfaces. USA: John Wiley & Sons, Inc., 1997.
7. Blunt, M J. Flerfasflöde i permeabla media: ett pore-skala perspektiv. Cambridge, Storbritannien: Cambridge University Press, 2017.