- Määritelmä
- Määritelmä perustuu työhön ja energiaan
- Rajapintajännityksen yhtälö ja yksiköt
- Pintarajojen jännityksen mittaus
- Wilhelmy-levymenetelmä
- Du Nouy -rengasmenetelmä
- Pudota riipusmenetelmä
- Pyörivä pudotusmenetelmä
- Viitteet
Pintajännitys (γ) on netto voima pituusyksikköä kohti, joka kohdistuu välinen kosketuspinta vaiheen (kiinteä tai nestemäinen) ja toisen (kiinteä, nestemäinen tai kaasumainen). Nettovoima on pystysuorassa kosketuspintaan nähden ja on suunnattu vaiheiden sisäosaan.
Kun yksi vaiheista on kaasu, sitä kutsutaan yleensä pintajännitykseksi. Kosketuksessa olevat faasit eivät ole sekoittumattomia, ts. Ne eivät voi liueta yhdessä muodostaen liuosta. Vaiheiden välinen kosketusalue on geometrinen erotuspinta, jota kutsutaan rajapinnaksi. Pintojen välinen jännitys johtuu rajapinnalla olevista molekyylien välisistä voimista.
Voimat nesteen molekyylien välillä, jotka ovat kosketuksissa ilman kanssa
Rajapintajännityksellä on tärkeä rooli monissa rajapinta-ilmiöissä ja prosesseissa, kuten emulsion ja öljyn tuotannossa.
Määritelmä
Rajapinnan ominaisuudet eivät ole samat kuin kosketusfaasien sisällä olevat ominaisuudet, johtuen tosiasiasta, että erilaiset molekyylinvuorovaikutukset ilmenevät, koska kyseisellä alueella on molekyylejä, jotka kuuluvat sekä faasiin että toiseen.
Faasin sisällä olevat molekyylit ovat vuorovaikutuksessa naapurimolekyylien kanssa, joilla on samanlaiset ominaisuudet. Näin ollen netto sisävoima on nolla, koska houkuttelevat ja vastenmieliset vuorovaikutukset ovat samat kaikkiin mahdollisiin suuntiin.
Kahden faasin välisellä pinnalla olevat molekyylit ympäröivät saman faasin molekyylit, mutta myös naapurimolekyylit toisesta faasista.
Tässä tapauksessa nettovoima ei ole nolla, ja se on suunnattu sen vaiheen sisäpuolelle, jossa vuorovaikutus on suurempi. Tuloksena on, että pinnalla olevien molekyylien energiatila on suurempi kuin vaiheessa oleva energiatila.
Sisäisesti pinta-alayksikköä kohti vaikuttava nettovoima on rajapintojen jännitys. Tämän voiman takia molekyylit pyrkivät spontaanisti minimoimaan energiaa minimoimalla pinta-alan jokaiselle tilavuusyksikölle.
Määritelmä perustuu työhön ja energiaan
Molekyylin houkuttelemiseksi sisäpinnalta pinnalle on välttämätöntä, että molekyyliin vaikuttavat voimat ylittävät nettovoiman. Toisin sanoen työ on vaadittava rajapinnan kasvattamiseksi.
Voima, joka tarvitaan pinta-alueen lisäämiseksi. (Https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Surface_growing.png)
Mitä suurempi on molekyylien välinen nettovoima, sitä suurempi työ on tehtävä ja sitä suurempi energiansyöttö on. Tästä syystä rajapintajännitys on myös määritelty työn tai energian funktiona, kuten jäljempänä mainitaan:
Rajapintajännitys on työ, joka tarvitaan yksikköalueen luomiseksi rajapinnalle. Samoin rajapintajännitys määritellään vapaana energiana, jota vaaditaan luodun pinta-alayksikön kohdalla.
Rajapintajännityksen yhtälö ja yksiköt
Pintarajojen yhtälö molekyylienvälisen nettovoiman funktiona on:
y = F / 2l
Syynä rajapintojen jännityksen pienenemiseen on se, että lämpötilan noustessa kineettinen energia kasvaa molekyylien termisen liikkeen lisääntymisen seurauksena.
Pintarajojen jännityksen mittaus
Pintarajojen jännityksen kokeellista mittausta varten on olemassa erilaisia menetelmiä, joista sopivimmat voidaan valita kosketusvaiheiden ominaispiirteiden ja koeolosuhteiden perusteella.
Nämä menetelmät sisältävät Wilhelmy-levymenetelmän, Du Nouy -rengasmenetelmän, riipuspudotusmenetelmän ja pyörivän pudotusmenetelmän.
Wilhelmy-levymenetelmä
Se koostuu nestefaasin pinnan alumiini- tai lasilevylle kohdistaman alaspäin suuntautuvan voiman mittaamisesta. Levylle kohdistettu nettovoima on yhtä suuri kuin paino plus vetolujuus. Levyn paino saadaan vääntöherkällä mikrotasauksella, joka kiinnitetään levyyn laitteella.
Du Nouy -rengasmenetelmä
Tässä menetelmässä mitataan voima metallirenkaan pinnan erottamiseksi nestepinnasta varmistamalla, että rengas on ennen mittaamista täysin upotettu nesteeseen. Erotusvoima on yhtä suuri kuin rajapintajännitys ja mitataan korkean tarkkuuden vaa'alla.
Pudota riipusmenetelmä
Tämä menetelmä perustuu kapillaarista roikkuvan pisaran muodonmuutoksen mittaamiseen. Pisara pidetään tasapainossa ripustettaessa, koska vetovoima on yhtä suuri kuin pudonnan paino.
Pisaran pidentyminen on verrannollinen pisaran painoon. Menetelmä perustuu pisaran pidennyspituuden määrittämiseen sen painon perusteella.
Pudota riipusmenetelmä
Pyörivä pudotusmenetelmä
Pyörivä pudotusmenetelmä on erittäin hyödyllinen mittaamaan erittäin pienet rajapintajännitykset, joita kohdistetaan emulsion ja mikroemulsion valmistusprosessiin.
Se koostuu siitä, että asetetaan tippa vähemmän tiheää nestettä kapillaariputkeen, joka on täytetty toisella nesteellä. Pudotus kohdistuu keskipakoisvoimaan pyörivän liikkeen vuoksi suurella nopeudella, joka pidentää akselin pudotusta ja vastustaa vetovoimaa.
Pintarajojen jännitys saadaan muodonmuutoksen pudonneen geometrisen muodon mitoista ja pyörimisnopeudesta.
Viitteet
- Tadros, T. F. Käytetyt pinta-aktiiviset aineet. Berkshire, UK: Wiley-VCH Verlag Gmbh & Co, 2005.
- van Oss, C J. rajapintavoimat vesipitoisissa väliaineissa. Florida, Yhdysvallat: Taylor & Francis -ryhmä, 2006.
- Kuva, L ja Teixeira, A A. Ruokafysiikka: Fysikaaliset ominaisuudet - mittaus ja sovellukset. Saksa: Springer, 2007.
- Anton de Salager, R E. Rajapinta jännitys. Mérida: FIRP - Universidad de los Andes, 2005.
- Speight, J G. Käsikirja Petroleum Product Analysis. New Jersey, Yhdysvallat: Jhon Wiley & pojat, 2015.
- Adamson, AW ja Gast, A P. Pintojen fysikaalinen kemia. USA: John Wiley & Sons, Inc., 1997.
- Blunt, M J. Monivaiheinen virtaus läpäisevässä väliaineessa: Pore-skaalaperspektiivi. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2017.