Katowice, 16 listopada 2014 Właściwości powierzchniowe Napięcie powierzchniowe Kapilarność, włoskowatość, wzniesienie (obniżenie kapilarne), zwilżalność Siły spójności (kohezji), siły przylegania (adhezji) Ciśnienie pęcherzykowe Metody wyznaczania napięcia powierzchniowego Kąt zwilżania Napięcie powierzchniowe Mikroskopowy obraz wyjaśniający, jak powstaje napięcie powierzchniowe https://en.wikipedia.org/wiki/Surface_tension (12.11.2015) http://www.sita-process.com/information-service/process-parameter-surfacetension/overview/ (15.11.2015) Napięcie powierzchniowe https://en.wikipedia. org/wiki/Surface_ten sion (12.11.2015) Napięcie powierzchniowe 𝑑𝑊 = 𝜎 ∙ 𝑑𝐴 𝐹 𝜎= 𝐿 𝐿 =2∙𝑙 Ponieważ mamy 2 powierzchnie Napięcie powierzchniowe ∆𝐸 = 𝑑𝑊 = 𝜎 ∙ 𝑑𝐴 Zależność pomiędzy napięciem powierzchniowym i swobodną energią powierzchniową: - analogia do pracy mechanicznej - praca podnoszenia ciężaru odpowiadałaby pracy wyniesienia cząsteczki na powierzchnię - siła, którą trzeba przyłożyć, aby wydobyć ją na powierzchnię jest styczna do powierzchni. W przypadku cieczy gdy „rozciąga” się jej powierzchnię „wydobywa” się cząsteczki z wnętrza. Napięcie powierzchniowe 𝜕𝐹 𝜎= 𝜕𝐴 𝜕𝑈 = 𝜕𝐴 𝑉,𝑆 S H p 𝑇,𝑉 𝜕𝐻 = 𝜕𝐴 𝑆,𝑝 𝜕𝐺 = 𝜕𝐴 U G 𝑝,𝑇 V napięcie powierzchniowe = napięcie międzyfazowe? F T Napięcie powierzchniowe = napięcie międzyfazowe? http://www.rikenvitamin.com/foodingredients/emulsifier/surfaceactivagent.html (15.11.2015) Napięcie powierzchniowe Efekt Marangoniego • w ogólności napięcie powierzchniowe zależy od temperatury i od stężenia roztworu, • gdy występuje gradient temperatury lub stężenia, tworzą się regiony o wyższym napięciu pow. (+) oraz regiony o niższym napięciu pow. (-), te różnice powoduję powstawanie ruchu cieczy., • ruch cieczy wywołuje powstawanie charakterystycznych wzorów na powierzchni, • w przypadku wina znane są one jako ”tears of wine”. Zwilżalność Adhezja i kohezja Adhezja – przyleganie Kohezja - spójność http://www.adhesiveandglue.com/adhesion-definition.html (16.11.2015) Adhezja i kohezja http://chemwiki.ucdavis.edu/Physical_C hemistry/Physical_Properties_of_Matter /Bulk_Properties/Cohesive_And_Adhesi ve_Forces (16.11.2015) Wzniesienie kapilarne http://www2.mcdaniel.edu/Bio logy/botf99/xylemweb/xyflow2 .html (15.11.2015) poziom wzniesienia tej samej cieczy w kapilarze zależy od średnicy kapilary Wzniesienie kapilarne dla substancji zwilżających i niezwilżających materiał kapilary Wzniesienie kapilarne Zrównoważenie ciśnień po obu stronach menisku ciśnieniem hydrostatycznym Ciśnienie pęcherzykowe – ciśnienie kapilarne – powstająca samorzutnie różnica ciśnień występując a po obu stronach zakrzywionej powierzchni 𝑝1 = 𝑝2 + ℎ ∙ 𝜌 ∙ 𝑔 Ciśnienie pęcherzykowe Bańka mydlana przybiera kształt kulisty, ponieważ jest to kształt odpowiadający najmniejszej powierzchni dla danej objętości. Dla bańki o promieniu r całkowita wartość energii powierzchniowej, E wynosi: ∆𝐸 = 𝑑𝑊 = 𝜎 ∙ 𝑑𝐴 𝑑𝐴 = 4𝜋𝑟 2 ∆𝐸 = 𝜎 ∙ 4𝜋𝑟 2 Ciśnienie pęcherzykowe Po zmniejszeniu promienia o dr zmiana energii powierzchniowej wyniesie: 𝜎 ∙ 8𝜋𝑟𝑑𝑟 Kurczenie się bańki powoduje zmniejszenie energii powierzchniowej,- dążenie do kurczenia się musi być zrównoważone różnicą ciśnień p panującą po obu stronach błonki: Ciśnienie pęcherzykowe Praca W wykonana w celu przeciwdziałania tej różnicy ciśnień wyrażona zależnością: 𝑊 = ∆𝑝 ∙ 4𝜋𝑟 2 𝑑𝑟 musi być dokładnie równa spadkowi swobodnej energii powierzchni, czyli: ∆𝑝 ∙ 4𝜋𝑟 2 𝑑𝑟 = 𝜎 ∙ 8𝜋𝑟𝑑𝑟 Ciśnienie pęcherzykowe 2∙𝜎 ∆𝑝 = 𝑟 ∆𝑝 = 𝑝𝑤 − 𝑝𝑧 Dla przypadku ogólnego: 1 1 ∆𝑝 = 𝜎 ∙ + 𝑅1 𝑅2 Równanie Laplace’a -Younga R1, R2 – główne promienie krzywizny menisku Ciśnienie pęcherzykowe 𝑙 𝑠𝑖𝑛𝜃1 = 2𝑅1 𝑙 𝑠𝑖𝑛𝜃2 = 2𝑅2 W stanie równowagi: 𝑃𝑐 ∙ 𝑙 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜃 2 = 2 ∙ 𝜎 ∙ 𝑙 ∙ 𝑠𝑖𝑛𝜃1 +2 ∙ (𝜎 ∙ 𝑙 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜃2 ) dla małych kątów 2∙𝜎 𝑙 𝑙 𝑃𝑐 = ∙ + 𝑙 2 ∙ 𝑅1 2 ∙ 𝑅2 Metody wyznaczania napięcia powierzchniowego metoda kapilarnego wzniesienia; metoda kroplowa – stalagmometryczna; metody tensjometryczne (odrywania płytki lub pierścienia); metoda maksymalnego ciśnienia pęcherzyków; metody oparte na analizie kształtu kropli – metoda wiszącej kropli – pendant drop method; Metoda wzniesienia kapilarnego 2∙𝜎 ∆𝑝 = =𝜌∙𝑔∙ℎ 𝑟 𝑟 ∙ 𝜌𝑔ℎ 𝜎= 2 r –promień menisku Metoda kroplowa - stalagmometryczna 𝐹 = 𝑙 ∙ 𝜎 = 2𝜋𝑟 ∙ 𝜎 𝑚𝑔 = 2𝜋𝑟 ∙ 𝜎 𝑚𝑔 𝜎= 2𝜋𝑟 Metody tensjometryczne Płytka Wilhelmy’ego Metody tensjometryczne Pierścień Du Noüya 𝐹 𝜎= 𝐿 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝜃 L – obwód pierścienia Metoda maksymalnego ciśnienia pęcherzyków 2𝜎 𝑝= 𝑟 Analiza kształtu kropli 1 1 2 p g z R R1 R2 metoda wiszącej kropli Pomiar napięcia między fazowego Wertz Chr. Et al., Journal of Molecular Liquids 131–132 (2007) 2–6 Napięcie powierzchniowe podsumowanie Pomiar kąta zwilżania Pomiar kąta zwilżania nanospray.nl/index.php?main_page=pa ge&id=9 (15.11.2015) http://soft-matter.seas.harvard.edu/index.php/Contact_angle (15.11.2015) Zjawiska kapilarne http://www.orlandofamilymagazine.com/family-fun/carbon-knight/ (16.11.2015) Zjawiska kapilarne https://diy.org/makeitsnappy/32562 (16.11.2015)
