MEDFAZNA NAPETOST: DEFINICIJA, ENAČBA, ENOTE IN MERJENJE - FIZIČNO - 2025

Medfazna napetost (γ) je skupna sila na dolžinsko enoto, ki deluje na kontaktni površini med fazo (trdni ali tekoči) in drugega (trdno, tekoče ali plinasto). Mrežna sila je navpična na kontaktno površino in je usmerjena proti notranjosti faz.

Ko je ena od faz plin, se običajno imenuje površinska napetost. Faze v stiku so nepomembne, torej se ne morejo raztopiti skupaj in tvorijo raztopino. Območje stika med fazama je geometrijska površina ločevanja, imenovana vmesnik. Medfazna napetost je posledica medmolekulskih sil, ki so prisotne na vmesniku.

Sile med molekulami tekočine v stiku z zrakom

Medfazna napetost ima pomembno vlogo pri številnih medfaznih pojavih in procesih, kot so proizvodnja emulzij in pridobivanje olja.

Opredelitev

Lastnosti vmesnika niso enake lastnosti znotraj faz v stiku, ker se manifestirajo različni molekularni medsebojni vplivi, ker v tem območju obstajajo molekule, ki pripadajo tako eni kot drugi fazi.

Molekule znotraj faze medsebojno delujejo s sosednjimi molekulami, ki imajo podobne lastnosti. Posledično je neto notranja sila enaka nič, saj so privlačne in odbojne interakcije enake v vseh možnih smereh.

Molekule, ki so na površini med obema fazama, so obdane z molekulami iz iste faze, pa tudi sosednjimi molekuli iz druge faze.

V tem primeru neto sila ni nič in je usmerjena proti notranjosti faze, v kateri je večja interakcija. Rezultat tega je, da je energijsko stanje molekul na površini večje od energijskega stanja znotraj faze.

Neto sila, ki deluje navznoter na enoto dolžine vzdolž vmesnika, je medfazna napetost. Zaradi te sile se molekule spontano nagibajo k zmanjšanju energije, kar zmanjšuje površino za vsako enoto prostornine.

Opredelitev, ki temelji na delu in energiji

Za privlačenje molekule od znotraj na površino je potrebno, da sile, ki delujejo na molekulo, presegajo neto silo. Z drugimi besedami, potrebno je delo za povečanje medfazne površine.

Sile, potrebne za povečanje medfazne regije. (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Surface_growing.png)

Večja kot je medmolekulska sila, večje je delo in večji vnos energije. Zaradi tega je medfazna napetost definirana tudi kot funkcija dela ali kot energija, kot je navedeno spodaj:

Medfazna napetost je delo, potrebno za ustvarjanje območja enote na vmesniku. Prav tako je medfazna napetost opredeljena kot potrebna prosta energija na enoto ustvarjene površine.

Enačba in enote medfazne napetosti

Enačba medfazne napetosti kot funkcije neto medmolekulske sile je:

γ = F / 2l

Razlog, da se medfazna napetost zmanjšuje, je, da se s povečanjem temperature kinetična energija povečuje zaradi povečanja toplotnega gibanja molekul.

Merjenje medfazne napetosti

Obstajajo različne metode eksperimentalnega merjenja medfazne napetosti, med katerimi je mogoče izbrati najprimernejše glede na značilne lastnosti faz v stiku in eksperimentalne pogoje.

Te metode vključujejo metodo plošče Wilhelmy, metodo Du Nouy obroč, metodo spuščanja obeska in metodo vrtenja kap.

Metoda plošče Wilhelmy

Sestavljen je iz merjenja sile navzdol, ki jo ima površina tekoče faze na aluminijasti ali stekleni plošči. Neto sila, ki deluje na ploščo, je enaka teži in natezni sili. Teža plošče se pridobi s pomočjo torzijsko občutljivega mikrotehničnega sredstva, ki je na ploščo pritrjen z napravo.

Du Nouy metoda obroča

Pri tej metodi se meri sila za ločitev površine kovinskega obroča od površine tekočine, ki zagotavlja, da je prstan pred meritvijo popolnoma potopljen v tekočino. Sila ločevanja je enaka medfazni napetosti in se meri z visoko natančnostjo.

Metoda spuščanja obeskov

Ta metoda temelji na merjenju deformacije kapljice, ki visi iz kapilare. Padec ostane v ravnovesju, medtem ko visi, ker je natezna sila enaka teži kapljice.

Raztezek kapljice je sorazmeren teži kapljice. Metoda temelji na določitvi dolžine raztezka kapi zaradi njegove teže.

Metoda spuščanja obeskov

Metoda vrtenja kapljic

Metoda vrtenja kapljic je zelo uporabna za merjenje zelo nizkih medfaznih napetosti, ki se uporabljajo pri postopku proizvodnje emulzije in mikroemulzije.

Sestavljen je iz polaganja kapljice manj goste tekočine v kapilarno cev, napolnjeno z drugo tekočino. Padec je podvržen centrifugalni sili zaradi vrtečega se gibanja, z veliko hitrostjo, ki podaljša padec na os in nasprotuje natezni sili.

Medfazna napetost je pridobljena iz dimenzij geometrijske oblike kapljice, ki se deformira, in hitrosti vrtenja.

Reference

1. Tadros, T F. Aplikativno površinsko aktivne snovi. Berkshire, Velika Britanija: Wiley-VCH Verlag Gmbh & Co, 2005.
2. van Oss, C J. Medfazne sile v vodnih medijih. Florida, ZDA: Taylor & Francis Group, 2006.
3. Slika, L in Teixeira, A. A. Fizika hrane: Fizikalne lastnosti - merjenje in aplikacije. Nemčija: Springer, 2007.
4. Anton de Salager, R E. Medfacialna napetost. Mérida: FIRP - Universidad de los Andes, 2005.
5. Speight, J G. Priročnik za analizo naftnih proizvodov. New Jersey, ZDA: Jhon Wiley & sinovi, 2015.
6. Adamson, AW in Gast, A. P. Fizikalna kemija površin. ZDA: John Wiley & Sons, Inc., 1997.
7. Blunt, M J. Večfazni tok v prepustnih medijih: perspektiva porečja. Cambridge, Velika Britanija: Cambridge University Press, 2017.