Interfacinė įtampa: apibrėžimas, lygtis, vienetai ir matavimas

Sąsajos įtampa (γ) yra grynoji jėga, tenkanti vieneto ilgiui, kuris yra veikiamas kontaktiniam paviršiui tarp vienos fazės (kietos arba skystos) ir kitos (kietos, skystos arba dujinės). Tinklo jėga yra vertikali nuo kontaktinio paviršiaus ir nukreipta į fazių vidų.

Kai viena iš fazių yra dujos, paprastai tai vadinama paviršiaus įtempimu . Susiliečiančios fazės yra nesuderinamos, tai yra, jos negali būti ištirpintos kartu, kad susidarytų tirpalas. Fazių kontakto sritis yra geometrinis atskyrimo paviršius, vadinamas sąsaja . Sąsajos įtampa atsiranda dėl intermolekulinių jėgų, esančių sąsajoje.

Interfacinė įtampa vaidina svarbų vaidmenį daugelyje paviršinių reiškinių ir procesų, pavyzdžiui, gaminant emulsijas ir gaminant naftą.

Apibrėžimas

Sąsajos savybės nėra tokios pačios kaip kontaktų fazių savybės, nes pasireiškia skirtingos molekulinės sąveikos, nes šiame regione yra molekulių, kurios priklauso vienai fazei ir kitai.

Fazės molekulės sąveikauja su kaimyninėmis molekulėmis, kurios turi panašias savybes. Todėl grynasis vidinis stiprumas yra lygus nuliui, nes patraukli ir atbaidanti sąveika yra vienoda visomis galimomis kryptimis.

Molekules, kurios yra ant dviejų fazių paviršiaus, supa tos pačios fazės molekulės, bet ir kitos fazės kaimyninės molekulės.

Šiuo atveju grynoji jėga nėra nulinė ir yra nukreipta į tos fazės vidų, kurioje yra didesnė sąveika. Rezultatas yra tas, kad paviršiuje esančių molekulių energinė būsena yra didesnė už energijos būseną fazėje.

Tinklo jėga, veikianti į vidų vieneto ilgio atžvilgiu, yra sąsajos įtampa. Dėl šios jėgos molekulės spontaniškai mažina energiją mažindamos kiekvieno tūrio vieneto paviršiaus plotą.

Apibrėžimas, pagrįstas darbu ir energija

Norint pritraukti molekulę iš vidaus į paviršių, būtina, kad molekulei veikiančios jėgos viršytų grynąją jėgą. Kitaip tariant, reikia dirbti, kad būtų padidintas paviršinis paviršius.

Kuo didesnis tarpmolekulinis tinklas, tuo didesnis darbas ir kuo didesnis energijos įvedimas. Dėl šios priežasties sąsajos įtampa taip pat apibrėžiama pagal darbą arba priklausomai nuo energijos, kaip nurodyta toliau:

Sąsajos įtampa - tai darbas, reikalingas tam, kad sąsajoje būtų sukurtas plotas. Panašiai, sąsajos įtampa yra apibrėžiama kaip laisva energija, sukurta vienam sukurtam ploto vienetui.

Lygties ir sąsajos įtampos vienetai

Sąsajos įtampos lygtis kaip tarpmolekulinės tinklo jėgos funkcija yra:

γ = F / 2l [1]

F = Grynoji jėga

l = sąsajos ilgis

[1] lygtyje rodomas skaičius 2 reiškia, kad yra du paviršiai, po vieną kiekvienam sąsajos paviršiui.

Sąsajos įtampa pagal darbą, reikalingą paviršiaus ploto generavimui, yra išreikšta šia lygtimi:

γ = W / ΔA [2]

W = darbas

ΔA = paviršiaus ploto padidėjimas

Sąsajos erdvės sukūrimą lydi laisvos energijos susidarymo padidėjimas.

γ = ΔE / ΔA [3]

ΔE = sąsajos formavimo energija

Tarptautinės sistemos sąsajos įtampos vienetai yra N / m arba Džoulai / m2. Taip pat dažnai naudojamas Dinas / cm arba mN / m.

Priklausomybė nuo temperatūros

Vienas iš pagrindinių veiksnių, darančių įtaką sąsajos įtampai, yra temperatūra. Kadangi temperatūra didėja, sąveikos jėgos mažėja, dėl to sumažėja ir paviršiaus sutartinė jėga, dėl kurios sumažėja paviršiaus įtempimas.

Jei temperatūra ir toliau didės, atsiras laikas, kai bus panaikinta sąsajos įtampa, ir nebebus atskyrimas tarp fazių. Temperatūra, kuria nutraukiama sąsajos įtampa, vadinama kritine temperatūra ( t _c ) .

Priežastis, dėl kurios sumažėja sienos įtempimas, yra tai, kad temperatūros didinimas padidina kinetinę energiją dėl padidėjusio molekulių šiluminio judėjimo.

Tarpfazinis įtempio matavimas

Egzistuoja skirtingi eksperimentinio paviršinio įtampos matavimo metodai, tarp kurių galite pasirinkti tinkamiausias pagal tipines fazių savybes ir eksperimentines sąlygas.

Tarp šių metodų paminėtas Wilhelmy plokštelės metodas, „Du Nouy“ žiedo metodas, lašų lašų metodas ir besisukantis lašų metodas.

Wilhelmy plokštelės metodas

Jis susideda iš skystosios fazės paviršiaus jėgos matavimo aliuminio arba stiklo plokštėje. Tinklo jėga, daroma plokštelei, yra lygi svoriui ir įtempimo jėgai. Plokštelės svoris gaunamas pasitelkiant jautrią mikrobalansą, pritvirtintą prie plokštės įrenginiu.

„Du Nouy“ žiedo metodas

Šiuo metodu matuojama jėga, skirta atskirti metalinio žiedo paviršių nuo skysčio paviršiaus, užtikrinant, kad prieš matuojant žiedas būtų visiškai panardintas į skystį. Atskyrimo jėga yra lygi sienos įtampai ir yra matuojama naudojant didelio tikslumo balansą.

Laukiamas kritimo metodas

Šis metodas yra pagrįstas lašų deformacijų matavimu iš kapiliarų. Lašas išlieka subalansuotas, kai jis kabo, nes įtempimo jėga yra lygi lašų svoriui.

Kritimo pailgėjimas yra proporcingas kritimo svoriui. Metodas pagrįstas kritimo pailgėjimo trukmės nustatymu dėl jo svorio.

Sukimo metodas

Sukamasis kritimo metodas yra labai naudingas matuojant labai mažas sąsajų įtampas, taikomas emulsijų ir mikroemulsijų gamybos procesui.

Jis susideda iš mažiau tankaus skysčio lašo į kapiliarinį vamzdelį, pripildytą kitu skysčiu. Dėl sukimosi judesio, esant dideliam greičiui, lašas nukreipiamas į išcentrinę jėgą, kuri prailgina veleno kritimą ir priešinasi įtempimo jėgai.

Sąsajos įtampa gaunama iš geometrinės lašų formos, deformacijos ir sukimosi greičio.