Pintajännitys

Pintajännitys on kahden tasapainossa olevan faasin rajapinnan termodynaaminen ominaisuus , joka määräytyy tämän rajapinnan yksikköpinta-alan palautuvan isotermokineettisen muodostumisen työstä, edellyttäen että lämpötila, järjestelmän tilavuus ja kaikkien komponenttien kemialliset potentiaalit molemmissa vaiheissa pysyy vakiona.

Pintajännityksellä on kaksinkertainen fyysinen merkitys - energia (termodynaaminen) ja voima (mekaaninen). Energian (termodynaamisen) määritelmä: pintajännitys on erityinen työ, joka lisää pintaa venytyksen aikana edellyttäen, että lämpötila on vakio. Voiman (mekaaninen) määritelmä: pintajännitys on voima, joka vaikuttaa nesteen pintaa rajoittavan viivan yksikköä kohti [1] .

Pintajännitysvoima on suunnattu tangentiaalisesti nesteen pintaan, kohtisuoraan ääriviivan osaan, johon se vaikuttaa, ja on verrannollinen tämän osan pituuteen. Suhteellisuuskerrointa - voimaa ääriviivan pituusyksikköä kohti - kutsutaan pintajännityskertoimeksi. SI : ssä se mitataan newtoneina metriä kohti. Mutta on oikeampaa määritellä pintajännitys energiaksi jouleina pintamurtoa kohden (m²). Tässä tapauksessa pintajännityksen käsitteen selkeä fyysinen merkitys ilmaantuu. $\gamma$

Vuonna 1983 todistettiin teoreettisesti ja lähdekirjojen [2] tiedoilla vahvistettiin , että nesteen pintajännityksen käsite on yksiselitteisesti osa sisäisen energian käsitettä (vaikkakin spesifinen: symmetrisille molekyyleille, jotka ovat muodoltaan lähellä pallomaisia). Tässä lehtiartikkelissa esitetyt kaavat mahdollistavat joidenkin aineiden teoreettisen laskemisen nesteen pintajännityksen arvot muista fysikaalisista ja kemiallisista ominaisuuksista, esimerkiksi höyrystymislämmöstä tai sisäisestä energiasta [3] [4] ).

Vuonna 1985 W. Weisskopf julkaisi Yhdysvalloissa samanlaisen näkemyksen pintajännityksen fysikaalisesta luonteesta osana sisäistä energiaa toisen fyysisen ongelman ratkaisemisessa [5] .

Pintajännitys esiintyy kaasumaisten , nestemäisten ja kiinteiden kappaleiden rajapinnassa. Yleensä termi "pintajännitys" viittaa nestemäisten kappaleiden pintajännitykseen neste-kaasu-rajapinnassa. Nesterajapinnan tapauksessa pintajännitystä voidaan pitää myös voimana, joka vaikuttaa pinnan ääriviivan pituusyksikköä kohti ja pyrkii vähentämään pintaa minimiin tietyillä faasitilavuuksilla.

Pintajännityksen mittauslaitetta kutsutaan tensiometriksi .

Ilmestymiset

Koska neste-kaasu-rajapinnan pinta-alan kasvu vaatii työn suorittamista, nesteellä "taipumus" pienentää pinta-alaansa:

painottomuudessa osa nesteestä saa pallomaisen muodon (pallolla on pienin pinta-ala kaikista saman tilavuuksista kappaleista). Sama tapahtuu nestepisaralla, joka asetetaan toisen, sekoittumattoman nesteen sisään ensimmäisen saman tiheyden omaavan nesteen kanssa ( Platonin koe ).
laminaarinen vesisuihku muodostaa sylinterin, joka sitten hajoaa pallomaisiksi pisaroiksi Rayleigh-Plateaun epävakauden vuoksi .
pienet esineet, joiden keskimääräinen tiheys on suurempi kuin nesteen tiheys, pystyvät "kellumaan" nesteen pinnalla, koska niiden painoa tasapainottaa pintajännitysvoima.
Jotkut hyönteiset (esimerkiksi vesijuoksut ) pystyvät liikkumaan veden läpi pitäen kiinni sen pinnasta pintajännitysvoimien vaikutuksesta.
Monilla pinnoilla, joita kutsutaan kostumattomiksi ( hydrofobiseksi ), vesi (tai muu neste) kerääntyy pisaroiksi.

Teoria

Pinta-ala

Nesteen pinnalla on vapaata energiaa :

{\mathcal {E}}_{surf}=\sigma S,

missä on pintajännityskerroin,

\sigma

S

on nesteen kokonaispinta-ala [6] .

Koska eristetyn järjestelmän vapaa energia pyrkii minimiin, neste pyrkii (ulkoisten kenttien puuttuessa) ottamaan muodon, jolla on pienin pinta-ala. Näin ollen nesteen muodon ongelma pelkistyy isoperimetriseksi ongelmaksi tietyissä lisäolosuhteissa (alkujakauma, tilavuus jne.). Vapaa pisara pyrkii olemaan pallon muotoinen , mutta monimutkaisemmissa alkuolosuhteissa nestepinnan muodon ongelmasta tulee matemaattisesti erittäin monimutkainen.

Laplacen kaava

Harkitse ohutta nestekalvoa, jonka paksuus voidaan jättää huomiotta. Pyrittäessä minimoimaan vapaaenergiansa kalvo luo paine-eron eri puolilta. Tämä selittää saippuakuplien muodostumisen : kalvoa puristetaan, kunnes kuplan sisällä oleva paine ei ylitä ilmakehän painetta kalvon pintajännityksen lisäpaineen arvon verran. Lisäpaine pinnan pisteessä riippuu tämän pisteen keskimääräisestä kaarevuudesta ja saadaan Laplacen kaavalla :

\Delta p=\sigma K=\sigma \left({1 \over R_{1}}+{1 \over R_{2}}\right).

Tässä ovat pisteen pääkaarevuuden säteet . Niillä on sama merkki, jos vastaavat kaarevuuskeskukset sijaitsevat pisteen samalla puolella tangenttitasoa , ja niillä on eri merkki, jos ne sijaitsevat eri puolilla. Esimerkiksi pallon kaarevuuskeskipisteet missä tahansa pinnan pisteessä ovat samat kuin pallon keskipiste, joten: $R_{1,2}$

R_{1}=R_{2}=R,

\Delta p={2\sigma \over R}.

Säteisen pyöreän sylinterin pinnan tapauksessa meillä on: $R$

R_{1}=R,~~~R_{2}=\infty ,

\Delta p={\sigma \over R}.

Koska sen on oltava jatkuva funktio kalvon pinnalla, kalvon "positiivisen" puolen valinta yhdessä pisteessä asettaa paikallisesti yksilöllisesti pinnan positiivisen puolen riittävän läheisiin kohtiin. $\Delta p$

Laplacen kaavasta seuraa, että vapaan saippuakalvon, joka on venytetty mielivaltaisen muotoisen kehyksen päälle ja joka ei muodosta kuplia, keskimääräinen kaarevuus on 0.

Lämpötilariippuvuus

Lämpötilan noustessa pintajännitys pienenee ja on yhtä suuri kuin nolla kriittisessä lämpötilassa. Tunnetuimman pintajännityksen empiirisen riippuvuuden lämpötilasta ehdotti Lorand Eötvös , ns. Eötvösin sääntö . Tällä hetkellä on saatu johtopäätös pintajännityksen teoreettisesta riippuvuudesta lämpötilasta alueella kriittisiin lämpötiloihin saakka, mikä vahvistaa Eötvösin säännön [7] .

Tapoja määrittää

Pintajännityksen määritysmenetelmät jaetaan staattisiin ja dynaamisiin. Staattisissa menetelmissä pintajännitys määritetään muodostuneesta pinnasta, joka on tasapainossa. Dynaamiset menetelmät liittyvät pintakerroksen tuhoutumiseen. Liuosten (erityisesti polymeerien tai pinta-aktiivisten aineiden) pintajännityksen mittauksessa tulee käyttää staattisia menetelmiä. Joissakin tapauksissa pinnan tasapaino voi tapahtua muutamassa tunnissa (esimerkiksi korkean viskositeetin polymeerien tiivistetyissä liuoksissa). Dynaamisia menetelmiä voidaan soveltaa tasapainopintajännityksen ja dynaamisen pintajännityksen määrittämiseen. Esimerkiksi saippualiuokselle sekoituksen jälkeen pintajännitys on 58 mJ / m² ja laskeutumisen jälkeen - 35 mJ / m². Eli pintajännitys muuttuu. Kunnes tasapaino on saavutettu, se on dynaaminen.

Staattiset menetelmät:

Menetelmä meniskin korkeuden mittaamiseksi kapillaarissa .
Wilhelmy menetelmä .
Istuntopudotusmenetelmä.
Määritysmenetelmä riippuvan pisaran muodon perusteella.
Pyörivä pudotusmenetelmä.

Dynaamiset menetelmät:

Du Nouyn menetelmä (rengasrepäisymenetelmä).
Stalagmometrinen tai pisaroiden laskentamenetelmä.
Maksimikuplapainemenetelmä.
Oskilloiva suihkumenetelmä.
Seisovan aallon menetelmä.
Matkustava aaltomenetelmä.

Menetelmät

Täysin standardoidut mittausmenetelmät on kuvattu asiaankuuluvissa ASTM- , GOST- jne.

Pyörivä pudotusmenetelmä

Menetelmän ydin on mitata raskaammassa nesteessä pyörivän nestepisaran halkaisija [8] . Tämä mittausmenetelmä soveltuu matalien tai erittäin alhaisten rajapintajännityksen arvojen mittaamiseen. Sitä käytetään laajasti mikroemulsioihin, pinta-aktiivisten aineiden (pinta-aktiivisten aineiden) tehokkuuden mittaamiseen öljyntuotannossa ja myös adsorptioominaisuuksien määrittämiseen.

Du Nuyn menetelmä (rengasrepäisymenetelmä)

Menetelmä on klassinen. Menetelmän ydin seuraa nimestä. Platinalangasta valmistettu rengas, jonka taso on samansuuntainen nesteen pinnan kanssa, nostetaan hitaasti sitä kostuttavasta nesteestä, voima renkaan irtoamishetkellä pinnasta on pintajännitysvoima ja se voidaan muuntaa pintajännitysvoimaksi. energiaa. Menetelmä soveltuu pinta-aktiivisten aineiden, muuntajaöljyjen jne. pintajännityksen mittaamiseen.

Kapillaariaaltomenetelmä

Kun nestettä häiritsee sen pinnalla oleva värähtelevä levy, kapillaariaallot etenevät nesteen pintaa pitkin . Jos nestettä sisältävä kyvetti valaistaan pulssivalonlähteellä (strob), jonka välähdystaajuus on yhtä suuri kuin häiriölevyn värähtelytaajuus, havaitaan visuaalisesti paikallaan pysyvä aaltokuvio. Mitatun aallonpituuden perusteella pintajännitys voidaan laskea kaavalla:

\sigma ={\frac {\rho \lambda ^{2}}{4\pi ^{2}}}(2\pi \nu ^{2}\lambda -g),

missä on pintajännitys;

\sigma

\rho

on nesteen tiheys;

\lambda

on aallonpituus;

\nu

on levyn värähtelytaajuus;

g

- painovoiman kiihtyvyys.

Joidenkin nesteiden pintajännitys ilman rajapinnassa

Aine	Lämpötila °C	Pintajännitys (10 −3 N/m)
Natriumkloridin 6 M vesiliuos	kaksikymmentä	82,55
Natriumkloridia	801	115
Glyseroli	kolmekymmentä	64.7
Tina	400	518
Typpihappo 70 %	kaksikymmentä	59.4
Aniliini	kaksikymmentä	42.9
Asetoni	kaksikymmentä	23.7
Bentseeni	kaksikymmentä	29.0
Vesi	kaksikymmentä	72,86
Glyseroli	kaksikymmentä	59.4
Öljy	kaksikymmentä	26
Merkurius	kaksikymmentä	486,5
rikkihappo 85 %	kaksikymmentä	57.4
Etanoli	kaksikymmentä	22.8
Etikkahappo	kaksikymmentä	27.8
Etyylieetteri	kaksikymmentä	16.9
saippua liuosta	kaksikymmentä	43

Ilmestymiset

Saippuakupla
Päivänkakkara
Kuvassa näkyy vaikutus, jota kutsutaan " viinin kyyneleiksi "
Pisara vettä lehdelle
Bulkki lätäköiden ja kuivan asfaltin rajalla
Vesi valuu kuivalla asfaltilla

Katso myös

Linkit

[www.xumuk.ru/colloidchem/19.html Pintajännityksen määritysmenetelmät]
Video nesteen pintajännityksen fysikaalisesta luonteesta osana sisäistä energiaa . Arkistokopio 20. joulukuuta 2020 Wayback Machinessa (venäjä)

Muistiinpanot

↑ Summ B. D. Kolloidikemian perusteet
↑ (Artikkeli: Journal of Physical Chemistry. 1983, nro 10, s. 2528-2530) . Haettu 16. helmikuuta 2014. Arkistoitu alkuperäisestä 21. helmikuuta 2014. (määrätön)
↑ Khaidarov G. G., Khaidarov A. G., Mashek A. Ch. Nesteen pintajännityksen fysikaalinen luonne // Bulletin of St. Petersburg University. Sarja 4 (Fysiikka, kemia) 2011. Numero 1. s.3-8. (linkki ei saatavilla) . Käyttöönottopäivä: 16. helmikuuta 2014. Arkistoitu alkuperäisestä 22. helmikuuta 2014. (määrätön)
↑ Khaidarov G. G., Khaidarov A. G., Mashek A. Ch., Mayorov E. E. Lämpötilan vaikutus pintajännitykseen // Bulletin of St. Petersburg University. Sarja 4 (fysiikka, kemia). 2012. Numero 1. s. 24-28. (linkki ei saatavilla) . Käyttöönottopäivä: 16. helmikuuta 2014. Arkistoitu alkuperäisestä 22. helmikuuta 2014. (määrätön)
↑ Weisskopf VF American Journal of Physics 53 (1985) 19-20.; VF Weisskopf, American Journal of Physics 53 (1985) 618-619.
↑ Huomaa, että kalvolla, kuten saippuakuplan seinällä, on kaksi puolta, joten nesteen pinta-ala on kaksi kertaa kalvon pinta-ala.
↑ Journal "Bulletin of St. Petersburg University", 2012, nro. 1, s. 24-28
↑ SITE100 Tensiometri . Haettu 19. marraskuuta 2008. Arkistoitu alkuperäisestä 3. huhtikuuta 2009. (määrätön)