מתח בין-פנים: הגדרה, משוואה, יחידות ומדידה - גוּפָנִי - 2025

המתח interfacial (γ) הוא הכוח נטו ליחידת אורך המופעל על שטח המגע בין שלב (מוצק או נוזלי) ועוד (מוצק, נוזלי או גזי). הכוח הנקי אנכי למשטח המגע ומופנה אל פנים השלבים.

כאשר אחד מהשלבים הוא גז זה נקרא בדרך כלל מתח פנים. השלבים במגע אינם ניתנים לבלתי מעורערים, כלומר הם אינם יכולים להתמוסס יחד ליצירת פיתרון. אזור המגע בין השלבים הוא משטח פרידה גיאומטרי המכונה הממשק. מתח בין-פנים נובע מכוחות בין-מולקולריים הקיימים בממשק.

כוחות בין מולקולות של נוזל במגע עם אוויר

מתח בין-פנים הוא תפקיד חשוב בתופעות ותהליכים ממשקים רבים כמו ייצור תחליב והפקת שמן.

הַגדָרָה

תכונות הממשק אינן זהות לתכונות בתוך השלבים שבמגע, מכיוון שמתרחשות אינטראקציות מולקולריות שונות מכיוון שבאותו אזור יש מולקולות ששייכות לשלב אחד והן לשני.

מולקולות הנמצאות בשלב מתקבלות אינטראקציה עם מולקולות שכנות, בעלות תכונות דומות. כתוצאה מכך, הכוח הפנימי נטו הוא אפס מכיוון שהאינטראקציות האטרקטיביות והדוחה זהות לכל הכיוונים האפשריים.

המולקולות שנמצאות על פני השטח בין שני השלבים מוקפות על ידי מולקולות מאותה פאזה אך גם על ידי מולקולות שכנות מהשלב האחר.

במקרה זה, הכוח הנקי אינו אפס, והוא מופנה לכיוון פנים השלב בו יש אינטראקציה גדולה יותר. התוצאה היא שמצב האנרגיה של המולקולות על פני השטח גדול יותר ממצב האנרגיה בתוך השלב.

הכוח הנקי הפועל פנימה לכל אורך יחידה לאורך הממשק הוא המתח הממשקי. בשל כוח זה, מולקולות נוטות באופן ספונטני למזער אנרגיה, ומצמצמות את שטח הפנים עבור כל יחידת נפח.

הגדרה על בסיס עבודה ואנרגיה

כדי למשוך מולקולה מבפנים אל פני השטח יש צורך בכך שהכוחות הפועלים על המולקולה יחרגו מהכוח הנקי. במילים אחרות, נדרשת עבודה להגדלת פני השטח הממשקיים.

כוח הכרחי כדי להגדיל את אזור הממשק. (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Surface_growing.png)

ככל שהכוח הבין-מולקולרי נטו גדול יותר, כך יש לבצע את העבודה וכדומה לכניסת האנרגיה. מסיבה זו מתח בין-תחומי מוגדר גם כפונקציה של עבודה או כפונקציה של אנרגיה, כאמור להלן:

מתח בין-פנים הוא העבודה הנדרשת ליצירת שטח יחידה בממשק. באופן דומה, מתח בין-תחומי מוגדר כאנרגיה החופשית הנדרשת לכל שטח היחידה שנוצר.

משוואה ויחידות מתח בין-ממשקי

המשוואה של המתח הממשקתי כפונקציה של הכוח הבין-מולקולרי נטו היא:

γ = F / 2l

הסיבה לכך שהמתח הממשקתי יורד היא שככל שהטמפרטורה עולה, האנרגיה הקינטית עולה בגלל העלייה בתנועה התרמית של המולקולות.

מדידת מתח בין-ממשקי

ישנן שיטות שונות למדידה ניסיונית של המתח הממשקי, ביניהם ניתן לבחור את המתאים ביותר בהתאם לתכונות האופייניות של השלבים במגע ותנאי הניסוי.

שיטות אלה כוללות את שיטת צלחת וילהלמי, שיטת טבעת Du Nouy, ​​שיטת טיפת התליון ושיטת הטיפה הסיבובית.

שיטת צלחת וילהלמי

זה מורכב מדידת הכוח כלפי מטה המופעל על ידי פני השלב הנוזל על צלחת אלומיניום או זכוכית. הכוח הנקי המופעל על הלוח שווה למשקל בתוספת כוח המתיחה. משקל הצלחת מתקבל באמצעות איזון מיקרו רגיש לפיתול המחובר לצלחת על ידי התקן.

שיטת טבעת Du Nouy

בשיטה זו נמדד הכוח להפרדת פני השטח של טבעת מתכת למשטח נוזלי ומבטיח שלפני המדידה הטבעת שקועה בנוזל לחלוטין. כוח ההפרדה שווה למתח הממשקתי ונמדד באמצעות איזון דיוק גבוה.

שיטת תליון זרוק

שיטה זו מבוססת על מדידת דפורמציה של טיפה התלויה מנימה. הטיפה נשמרת באיזון בזמן שהיא תלויה מכיוון שכוח המתיחה שווה למשקל הטיפה.

התארכות הטיפה פרופורציונאלית למשקל הטיפה. השיטה מבוססת על קביעת אורך ההתארכות של הירידה בגלל משקלו.

שיטת תליון זרוק

שיטת ירידה מסתובבת

שיטת הטיפה הסיבוב שימושית מאוד למדידת מתחים ממשקים נמוכים מאוד המופעלים על תהליך ייצור התחליב והמיקרו-אמולסיה.

זה מורכב מהנחת טיפה של נוזל פחות צפוף בתוך צינור נימי מלא בנוזל אחר. הנפילה נתונה בכוח צנטריפוגלי עקב תנועה מסתובבת, במהירות רבה, המאריך את הירידה על הציר ומתנגד לכוח המתיחה.

המתח הממשקתי מתקבל מממדי הצורה הגיאומטרית של הטיפה, מעוותים ומהירות הסיבוב.

הפניות

1. Tadros, T F. חומרים פעילי שטח שימושיים. ברקשייר, בריטניה: Wiley-VCH Verlag Gmbh & Co, 2005.
2. ואן אוסס, ג '. כוחות פנים פנים במדיה מימית. פלורידה, ארה"ב: קבוצת טיילור ופרנסיס, 2006.
3. איור, L ו- Teixeira, A. A. פיזיקת מזון: תכונות גופניות - מדידה ויישומים. גרמניה: שפרינגר, 2007.
4. אנטון דה סלגר, R E. מתח בין-פנים. Mérida: FIRP - Universidad de los Andes, 2005.
5. Speight, J G. Handbook of ניתוח מוצרי נפט. ניו ג'רזי, ארה"ב: ג'ון וויילי ובניו, 2015.
6. אדמסון, AW וגסט, A P. כימיה פיזית של משטחים. ארה"ב: ג'ון וויילי ובניו, בע"מ, 1997.
7. Blunt, M J. Flowhase זרימה בתקשורת חדירה: נקודת מבט בקנה מידה נקבובי. קיימברידג ', בריטניה: Cambridge University Press, 2017.