ความตึงเครียดระหว่างใบหน้า: นิยามสมการหน่วยและการวัด - กายภาพ - 2026

ตึงเครียด interfacial (γ) เป็นแรงสุทธิต่อหน่วยความยาวที่กระทำต่อพื้นผิวสัมผัสระหว่างเฟส (ของแข็งหรือของเหลว) และอื่น ๆ (ของแข็งของเหลวหรือก๊าซ) แรงสุทธิอยู่ในแนวตั้งกับพื้นผิวสัมผัสและพุ่งไปที่ด้านในของเฟส

เมื่อหนึ่งในเฟสเป็นก๊าซมักเรียกว่าแรงตึงผิว ขั้นตอนที่สัมผัสนั้นไม่สามารถมองเห็นได้กล่าวคือไม่สามารถละลายเข้าด้วยกันเพื่อสร้างสารละลายได้ พื้นที่สัมผัสระหว่างเฟสเป็นพื้นผิวทางเรขาคณิตของการแยกที่เรียกว่าอินเทอร์เฟซ ความตึงเครียดระหว่างใบหน้าเกิดจากแรงระหว่างโมเลกุลอยู่ที่ส่วนต่อประสาน

แรงระหว่างโมเลกุลของของเหลวสัมผัสกับอากาศ

ความตึงเครียดระหว่างใบหน้ามีบทบาทสำคัญในปรากฏการณ์และกระบวนการระหว่างกันหลายอย่างเช่นการผลิตอิมัลชันและการผลิตน้ำมัน

คำนิยาม

คุณสมบัติของอินเทอร์เฟซไม่เหมือนกับคุณสมบัติภายในเฟสที่ติดต่อเนื่องจากปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลที่แตกต่างกันจะปรากฏขึ้นเนื่องจากในพื้นที่นั้นมีโมเลกุลที่เป็นของทั้งเฟสหนึ่งและอีกเฟส

โมเลกุลภายในเฟสมีปฏิสัมพันธ์กับโมเลกุลข้างเคียงซึ่งมีคุณสมบัติคล้ายกัน ดังนั้นแรงภายในสุทธิจึงเป็นศูนย์เนื่องจากปฏิสัมพันธ์ที่น่าดึงดูดและน่ารังเกียจนั้นเหมือนกันในทุกทิศทางที่เป็นไปได้

โมเลกุลที่อยู่บนพื้นผิวระหว่างทั้งสองเฟสถูกล้อมรอบด้วยโมเลกุลจากเฟสเดียวกัน แต่ยังรวมถึงโมเลกุลใกล้เคียงจากอีกเฟสด้วย

ในกรณีนี้แรงสุทธิไม่ได้เป็นศูนย์และถูกส่งไปยังภายในของเฟสซึ่งมีปฏิสัมพันธ์กันมากขึ้น ผลที่ได้คือสถานะพลังงานของโมเลกุลบนพื้นผิวมีค่ามากกว่าสถานะพลังงานภายในเฟส

แรงสุทธิที่กระทำเข้าด้านในต่อหน่วยความยาวตามส่วนต่อประสานคือความตึงระหว่างกัน เนื่องจากแรงนี้โมเลกุลจึงมีแนวโน้มที่จะลดพลังงานโดยธรรมชาติลดพื้นที่ผิวของแต่ละหน่วยปริมาตรให้เหลือน้อยที่สุด

นิยามตามงานและพลังงาน

ในการดึงดูดโมเลกุลจากภายในสู่พื้นผิวจำเป็นที่แรงที่กระทำต่อโมเลกุลจะเกินกำลังสุทธิ กล่าวอีกนัยหนึ่งจำเป็นต้องมีงานเพื่อเพิ่มพื้นผิวที่เชื่อมต่อกัน

บังคับที่จำเป็นในการเพิ่มขอบเขตการเชื่อมต่อ (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Surface_growing.png)

ยิ่งแรงระหว่างโมเลกุลสุทธิมากเท่าไหร่งานที่ต้องทำก็จะยิ่งมากขึ้นและการป้อนพลังงานก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ด้วยเหตุนี้ความตึงเครียดระหว่างหน้าจึงถูกกำหนดให้เป็นหน้าที่ของการทำงานหรือเป็นหน้าที่ของพลังงานดังที่กล่าวไว้ด้านล่าง:

ความตึงระหว่างใบหน้าเป็นงานที่ต้องใช้ในการสร้างพื้นที่หน่วยที่ส่วนต่อประสาน ในทำนองเดียวกันความตึงเครียดระหว่างผิวถูกกำหนดให้เป็นพลังงานอิสระที่ต้องการต่อหน่วยพื้นที่ที่สร้างขึ้น

สมการและหน่วยของความตึงเครียดระหว่างกัน

สมการของความตึงระหว่างโมเลกุลซึ่งเป็นฟังก์ชันของแรงระหว่างโมเลกุลสุทธิคือ:

γ = F / 2l

สาเหตุที่ความตึงเครียดระหว่างกันลดลงก็คือเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นพลังงานจลน์จะเพิ่มขึ้นเนื่องจากการเพิ่มขึ้นของการเคลื่อนที่ทางความร้อนของโมเลกุล

การวัดความตึงระหว่างใบหน้า

มีวิธีการทดลองที่แตกต่างกันในการวัดความตึงเครียดระหว่างกันซึ่งสามารถเลือกที่เหมาะสมที่สุดตามคุณสมบัติลักษณะของเฟสที่สัมผัสและเงื่อนไขการทดลอง

วิธีการเหล่านี้รวมถึงวิธี Wilhelmy plate วิธี Du Nouy ring วิธีการจี้และวิธีการหมุนดรอป

วิธีวิลเฮลมีเพลท

ประกอบด้วยการวัดแรงลงที่กระทำโดยพื้นผิวของเฟสของเหลวบนแผ่นอลูมิเนียมหรือกระจก แรงสุทธิที่กระทำบนแผ่นเท่ากับน้ำหนักบวกกับแรงดึง น้ำหนักของแผ่นจะได้รับจากไมโครบาลานซ์ที่ไวต่อแรงบิดซึ่งติดอยู่กับแผ่นโดยอุปกรณ์

วิธี Du Nouy ring

ในวิธีนี้จะวัดแรงในการแยกพื้นผิวของวงแหวนโลหะออกจากพื้นผิวของเหลวโดยตรวจสอบให้แน่ใจว่าก่อนทำการวัดแหวนจะจมอยู่ในของเหลวอย่างสมบูรณ์ แรงแยกจะเท่ากับความตึงระหว่างหน้าและวัดโดยใช้เครื่องชั่งที่มีความแม่นยำสูง

วิธีวางจี้

วิธีนี้ใช้การวัดความผิดปกติของหยดน้ำที่ห้อยลงมาจากเส้นเลือดฝอย การลดลงจะอยู่ในสมดุลในขณะที่แขวนอยู่เนื่องจากแรงดึงเท่ากับน้ำหนักของการตก

การยืดตัวของดร็อปเป็นสัดส่วนกับน้ำหนักของดร็อป วิธีนี้ขึ้นอยู่กับการกำหนดความยาวการยืดตัวของการลดลงเนื่องจากน้ำหนักของมัน

วิธีวางจี้

วิธีการวางแบบหมุน

วิธีการหยดแบบหมุนมีประโยชน์อย่างมากสำหรับการวัดความตึงเครียดระหว่างผิวที่ต่ำมากซึ่งใช้กับกระบวนการผลิตอิมัลชันและไมโครอิมัลชัน

ประกอบด้วยการวางของเหลวที่มีความหนาแน่นน้อยหยดลงในหลอดเส้นเลือดฝอยที่เต็มไปด้วยของเหลวอื่น การลดลงจะต้องได้รับแรงเหวี่ยงเนื่องจากการเคลื่อนที่แบบหมุนด้วยความเร็วสูงซึ่งจะทำให้การตกบนแกนยืดตัวออกไปและต่อต้านแรงดึง

ความตึงประสานนั้นได้มาจากขนาดของรูปทรงเรขาคณิตของการหล่นการเปลี่ยนรูปและความเร็วของการหมุน

อ้างอิง

1. Tadros, T F. สารลดแรงตึงผิวที่ใช้ เบิร์กเชียร์สหราชอาณาจักร: Wiley-VCH Verlag Gmbh & Co, 2548
2. van Oss, C J. กองกำลังอินเตอร์เฟเชียลในสื่อน้ำ ฟลอริดาสหรัฐอเมริกา: Taylor & Francis Group, 2549
3. Figure, L และ Teixeira, A A. Food Physics: Physical Properties - Measurement and Applications. เยอรมนี: Springer, 2007
4. Anton de Salager, R E. ความตึงเครียดระหว่างใบหน้า. เมรีดา: FIRP - Universidad de los Andes, 2005
5. Speight, J G. คู่มือการวิเคราะห์ผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม. รัฐนิวเจอร์ซีย์สหรัฐอเมริกา: Jhon Wiley & sons, 2015
6. Adamson, AW และ Gast, A P. เคมีกายภาพของพื้นผิว สหรัฐอเมริกา: John Wiley & Sons, Inc. , 1997
7. Blunt, M J. การไหลหลายเฟสในสื่อที่ซึมผ่านได้: มุมมองระดับรูขุมขน Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2017