Forza li taġixxi tul linja fuq il-wiċċ tal-likwidu

Imkejla f'newtons kull metru (N/m) jew dynes kull ċentimetru (dyn/cm). Jekk timmaġina qafas b'ġenb mobbli f'kuntatt ma' film likwidu, it-tensjoni tal-wiċċ hija l-forza li tiġbed fuq dak il-ġenb diviża bit-tul tiegħu. Din hija d-definizzjoni mekkanika.

Formula: γ = F/L fejn F = forza, L = tul tat-tarf

Eżempju: Ilma @ 20°C = 72.8 mN/m ifisser 0.0728 N ta' forza għal kull metru ta' tarf

Enerġija meħtieġa biex tinħoloq erja tal-wiċċ ġdida

Imkejla f'joules kull metru kwadru (J/m²) jew ergs kull ċentimetru kwadru (erg/cm²). Il-ħolqien ta' erja tal-wiċċ ġdida jeħtieġ xogħol kontra l-forzi intermolekulari. Numerikament identika għat-tensjoni tal-wiċċ iżda tirrappreżenta l-perspettiva tal-enerġija aktar milli l-perspettiva tal-forza.

Formula: γ = E/A fejn E = enerġija, A = żieda fl-erja tal-wiċċ

Eżempju: Ilma @ 20°C = 72.8 mJ/m² = 72.8 mN/m (l-istess numru, interpretazzjoni doppja)

Il-forzi intermolekulari jiddeterminaw l-imġieba tal-wiċċ

Koeżjoni: attrazzjoni bejn molekuli simili (likwidu-likwidu). Adeżjoni: attrazzjoni bejn molekuli differenti (likwidu-solidu). Koeżjoni għolja → tensjoni tal-wiċċ għolja → il-qtar jinġabru. Adeżjoni għolja → il-likwidu jinfirex (tixrib). Il-bilanċ jiddetermina l-angolu tal-kuntatt u l-azzjoni kapillari.

Angolu tal-kuntatt θ: cos θ = (γ_SV - γ_SL) / γ_LV (ekwazzjoni ta' Young)

Eżempju: L-ilma fuq il-ħġieġ għandu θ baxx (adeżjoni > koeżjoni) → jinfirex. Il-merkurju fuq il-ħġieġ għandu θ għoli (koeżjoni >> adeżjoni) → jinġabar fi qtar.

L-ewwel esperimenti kwantitattivi dwar it-tensjoni tal-wiċċ

Il-fiżiku Ġermaniż Segner studja labar li jżommu f'wiċċ l-ilma u osserva li l-uċuħ tal-ilma jġibu ruħhom bħal membrani mġebbda. Huwa kkalkula l-forzi iżda ma kellux teorija molekulari biex jispjega l-fenomenu.

L-ekwazzjoni ta' Young għall-angolu tal-kuntatt

Il-polimat Brittaniku Young idderiva r-relazzjoni bejn it-tensjoni tal-wiċċ, l-angolu tal-kuntatt, u t-tixrib: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Din l-ekwazzjoni fundamentali għadha tintuża llum fix-xjenza tal-materjali u l-mikrofluidika.

L-ekwazzjoni ta' Young-Laplace għall-pressjoni

Laplace idderiva ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂), u wera li l-interfaċċji kurvi għandhom differenzi fil-pressjoni. Jispjega għaliex il-bżieżaq żgħar għandhom pressjoni interna ogħla minn dawk kbar—kritiku għall-fehim tal-fiżjoloġija tal-pulmun u l-istabbiltà tal-emulsjonijiet.

Teorija molekulari tat-tensjoni tal-wiċċ

Il-fiżiku Olandiż van der Waals spjega t-tensjoni tal-wiċċ bl-użu tal-forzi intermolekulari. Ix-xogħol tiegħu dwar l-attrazzjoni molekulari rebaħlu l-Premju Nobel fl-1910 u witta t-triq għall-fehim tal-kapillarità, l-adeżjoni, u l-punt kritiku.

Monosaffi u kimika tal-wiċċ

Langmuir studja films molekulari fuq l-uċuħ tal-ilma, u ħoloq il-qasam tal-kimika tal-wiċċ. Ix-xogħol tiegħu dwar is-surfactants, l-assorbiment, u l-orjentazzjoni molekulari rebaħlu l-Premju Nobel fl-1932. Il-films ta' Langmuir-Blodgett huma msemmija għalih.

It-tensjoni tal-wiċċ tiddetermina t-tixrib, it-tixrid, u l-adeżjoni:

• Formulazzjoni taż-żebgħa: Aġġusta γ għal 25-35 mN/m għal tixrid ottimali fuq is-sottostrati
• Stampar b'ink-jet: Il-linka għandu jkollha γ < mis-sottostrat għat-tixrib (tipikament 25-40 mN/m)
• Trattament tal-korona: Iżżid l-enerġija tal-wiċċ tal-polimeru minn 30 → 50+ mN/m għall-adeżjoni
• Kisjiet tat-trab: Tensjoni tal-wiċċ baxxa tgħin fl-invellar u l-iżvilupp tal-brillanza
• Kisjiet kontra l-graffiti: γ baxx (15-20 mN/m) jipprevjeni l-adeżjoni taż-żebgħa
• Kontroll tal-kwalità: Tensiometru taċ-ċirku ta' du Noüy għall-konsistenza bejn il-lottijiet

Id-deterġenti jaħdmu billi jnaqqsu t-tensjoni tal-wiċċ:

• Ilma pur: γ = 72.8 mN/m (ma jippenetrax sew id-drappijiet)
• Ilma + sapun: γ = 25-30 mN/m (jippenetra, jixxarrab, ineħħi ż-żejt)
• Konċentrazzjoni Kritika tal-Miċelli (CMC): γ tinżel f'daqqa sakemm tilħaq il-CMC, imbagħad tibqa' stabbli
• Aġenti tat-tixrib: Il-prodotti tat-tindif industrijali jnaqqsu γ għal <30 mN/m
• Likwidu tal-ħasil tal-platti: Fformulat għal γ ≈ 27-30 mN/m għat-tneħħija tal-grass
• Sprejers tal-pestiċidi: Żid surfactants biex tnaqqas γ għal kopertura aħjar tal-weraq

It-tensjoni interfaċċjali bejn iż-żejt u l-ilma taffettwa l-estrazzjoni:

• Tensjoni interfaċċjali żejt-ilma: Tipikament 20-50 mN/m
• Irkupru Mtejjeb taż-Żejt (EOR): Injetta surfactants biex tnaqqas γ għal <0.01 mN/m
• γ baxx → il-qtar taż-żejt jemulsifikaw → jgħaddu minn blat poruż → irkupru akbar
• Karatterizzazzjoni taż-żejt mhux maħdum: Il-kontenut aromatiku jaffettwa t-tensjoni tal-wiċċ
• Fluss fil-pipelines: γ aktar baxx inaqqas l-istabbiltà tal-emulsjoni, jgħin fis-separazzjoni
• Il-metodu tal-qatra pendenti jkejjel γ fit-temperatura/pressjoni tar-riżerva

It-tensjoni tal-wiċċ hija kritika għall-proċessi tal-ħajja:

• Surfactant tal-pulmun: Inaqqas il-γ alveolari minn 70 għal 25 mN/m, u jipprevjeni l-kollass
• Trabi prematuri: Sindrom ta' diffikultà respiratorja minħabba surfactant insuffiċjenti
• Membrani taċ-ċelluli: γ tas-saff doppju tal-lipidi ≈ 0.1-2 mN/m (baxx ħafna għall-flessibilità)
• Plażma tad-demm: γ ≈ 50-60 mN/m, tiżdied f'mard (dijabete, aterosklerożi)
• Film tad-dmugħ: Struttura b'ħafna saffi b'saff tal-lipidi li jnaqqas l-evaporazzjoni
• Nifs tal-insetti: Is-sistema trakeali tiddependi fuq it-tensjoni tal-wiċċ biex tipprevjeni d-dħul tal-ilma

L-insetti tal-ilma (Gerridae) jisfruttaw it-tensjoni għolja tal-wiċċ tal-ilma (72.8 mN/m) biex isostnu 15-il darba l-piż tagħhom. Saqajhom huma miksija b'xagħar tax-xema' li huwa superidrofobiku (angolu tal-kuntatt >150°). Kull sieq toħloq ħofra fil-wiċċ tal-ilma, u t-tensjoni tal-wiċċ tipprovdi l-forza 'l fuq. Jekk iżżid is-sapun (u tnaqqas γ għal 30 mN/m), dawn jegħrqu immedjatament!

It-tensjoni tal-wiċċ taġixxi biex timminimizza l-erja tal-wiċċ għal volum partikolari. L-isfera għandha l-erja tal-wiċċ minima għal kwalunkwe volum (inugwaljanza iżoperimetrika). Il-bżieżaq tas-sapun juru dan b'mod sabiħ: l-arja ġewwa timbotta 'l barra, it-tensjoni tal-wiċċ tiġbed 'il ġewwa, u l-ekwilibriju joħloq sfera perfetta. Bżieżaq mhux sferiċi (bħal dawk kubi f'oqfsa tal-wajer) għandhom enerġija ogħla u huma instabbli.

Il-pulmuni tat-trabi tat-twelid fihom surfactant pulmonari (fosfolipidi + proteini) li jnaqqas it-tensjoni tal-wiċċ alveolari minn 70 għal 25 mN/m. Mingħajru, l-alveoli jikkrollaw waqt l-espirazzjoni (atelettasi). It-trabi prematuri m'għandhomx biżżejjed surfactant, u dan jikkawża s-Sindrom ta' Diffikultà Respiratorja (RDS). Qabel it-terapija b'surfactant sintetiku (is-snin 90), l-RDS kienet kawża ewlenija tal-mewt tat-trabi tat-twelid. Issa, ir-rati ta' sopravivenza jaqbżu l-95%.

Ferra l-inbid ġo tazza u osserva: qtar jifformaw fuq il-ġnub, jitilgħu 'l fuq, u jaqgħu lura 'l isfel—'id-dmugħ tal-inbid.' Dan huwa l-effett Marangoni: l-alkoħol jevapora aktar malajr mill-ilma, u joħloq gradjenti tat-tensjoni tal-wiċċ (γ tvarja spazjalment). Il-likwidu jgħaddi minn reġjuni ta' γ baxx għal reġjuni ta' γ għoli, u jiġbed l-inbid 'il fuq. Meta l-qtar isiru tqal biżżejjed, il-gravità tirbaħ u jaqgħu. Il-flussi ta' Marangoni huma kritiċi fl-iwweldjar, fil-kisi, u fit-tkabbir tal-kristalli.

Il-molekuli tas-sapun huma anfifiliċi: denb idrofobiku (jobgħod l-ilma) + ras idrofilika (tħobb l-ilma). F'soluzzjoni, id-dnub joħorġu mill-wiċċ tal-ilma, ifixklu l-irbit tal-idroġenu u jnaqqsu γ minn 72 għal 25-30 mN/m. Fil-Konċentrazzjoni Kritika tal-Miċelli (CMC), il-molekuli jiffurmaw miċelli sferiċi bid-dnub ġewwa (jaqbdu ż-żejt) u l-irjus barra. Dan hu għaliex is-sapun ineħħi l-grass: iż-żejt jinħall ġewwa l-miċelli u jinħasel.

Itfa' kristall tal-ganfra fuq l-ilma u dan jiċċaqlaq fuq il-wiċċ bħal dgħajsa żgħira. Il-ganfra tinħall b'mod asimmetriku, u toħloq gradjent tat-tensjoni tal-wiċċ (γ ogħla wara, aktar baxx quddiem). Il-wiċċ jiġbed il-kristall lejn reġjuni ta' γ għoli—mutur tat-tensjoni tal-wiċċ! Dan intwera mill-fiżiku C.V. Boys fl-1890. Il-kimiċi moderni jużaw propulsjoni Marangoni simili għal mikrorobots u vetturi għall-kunsinna tal-mediċini.

Din hija relazzjoni termodinamika fundamentali, mhux koinċidenza. Dimensjonalment: [N/m] = (kg·m/s²)/m = kg/s² u [J/m²] = (kg·m²/s²)/m² = kg/s². Għandhom l-istess dimensjonijiet bażiċi! Fiżikament: il-ħolqien ta' 1 m² ta' wiċċ ġdid jeħtieġ xogħol = forza × distanza = (γ N/m) × (1 m) × (1 m) = γ J. Allura γ imkejjel bħala forza/tul huwa ugwali għal γ imkejjel bħala enerġija/erja. Ilma @ 20°C: 72.8 mN/m = 72.8 mJ/m² (l-istess numru, interpretazzjoni doppja).

Koeżjoni: attrazzjoni bejn molekuli simili (ilma-ilma). Adeżjoni: attrazzjoni bejn molekuli differenti (ilma-ħġieġ). Koeżjoni għolja → tensjoni tal-wiċċ għolja → il-qtar jinġabru (merkurju fuq il-ħġieġ). Adeżjoni għolja relattiva għall-koeżjoni → il-likwidu jinfirex (ilma fuq ħġieġ nadif). Il-bilanċ jiddetermina l-angolu tal-kuntatt θ permezz tal-ekwazzjoni ta' Young: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. It-tixrib iseħħ meta θ < 90°; il-ġbir fi qtar iseħħ meta θ > 90°. L-uċuħ superidrofobiċi (werqa tal-lotus) għandhom θ > 150°.

Il-molekuli tas-sapun huma anfifiliċi: denb idrofobiku + ras idrofilika. Fl-interfaċċja ilma-arja, id-dnub jorjentaw ruħhom 'il barra (jevita l-ilma), u l-irjus jorjentaw ruħhom 'il ġewwa (attirati lejn l-ilma). Dan ifixkel l-irbit tal-idroġenu bejn il-molekuli tal-ilma fil-wiċċ, u jnaqqas it-tensjoni tal-wiċċ minn 72.8 għal 25-30 mN/m. γ aktar baxx jippermetti lill-ilma jixxarrab id-drappijiet u jippenetra l-grass. Fil-Konċentrazzjoni Kritika tal-Miċelli (CMC, tipikament 0.1-1%), il-molekuli jiffurmaw miċelli li jdewbu ż-żejt.

Temperatura ogħla tagħti lill-molekuli aktar enerġija kinetika, u ddgħajjef l-attrazzjonijiet intermolekulari (irbit tal-idroġenu, forzi ta' van der Waals). Il-molekuli tal-wiċċ għandhom inqas ġibda netta 'l ġewwa → tensjoni tal-wiċċ aktar baxxa. Għall-ilma: γ tonqos b'madwar 0.15 mN/m għal kull °C. Fit-temperatura kritika (374°C għall-ilma, 647 K), id-distinzjoni bejn likwidu u gass tisparixxi u γ → 0. Ir-regola ta' Eötvös tikkwantifika dan: γ·V^(2/3) = k(T_c - T) fejn V = volum molari, T_c = temperatura kritika.

Erba' metodi ewlenin: (1) Ċirku ta' du Noüy: Ċirku tal-platinu jinġibed mill-wiċċ, il-forza titkejjel (l-aktar komuni, ±0.1 mN/m). (2) Pjanċa ta' Wilhelmy: Pjanċa rqiqa sospiża li tmiss il-wiċċ, il-forza titkejjel kontinwament (l-ogħla preċiżjoni, ±0.01 mN/m). (3) Qatra pendenti: Il-forma tal-qatra tiġi analizzata ottikament bl-użu tal-ekwazzjoni ta' Young-Laplace (taħdem f'T/P għoljin). (4) Irfigħ kapillari: Il-likwidu jitla' f'tubu dejjaq, l-għoli jitkejjel: γ = ρghr/(2cosθ) fejn ρ = densità, h = għoli, r = raġġ, θ = angolu tal-kuntatt.

ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) tiddeskrivi d-differenza fil-pressjoni fuq interfaċċja kurva. R₁ u R₂ huma r-raġġi prinċipali tal-kurvatura. Għal sfera (bużżieqa, qatra): ΔP = 2γ/R. Bżieżaq żgħar għandhom pressjoni interna ogħla minn dawk kbar. Eżempju: qatra ilma ta' 1 mm għandha ΔP = 2×0.0728/0.0005 = 291 Pa (0.003 atm). Dan jispjega għaliex il-bżieżaq żgħar fir-ragħwa jiċkienu (il-gass jid diffondi miż-żgħar għall-kbar) u għaliex l-alveoli tal-pulmun jeħtieġu surfactant (inaqqas γ sabiex ma jikkrollawx).

Merkurju: Koeżjoni qawwija (irbit metalliku, γ = 486 mN/m) >> adeżjoni dgħajfa mal-ħġieġ → angolu tal-kuntatt θ ≈ 140° → jinġabar fi qtar. Ilma: Koeżjoni moderata (irbit tal-idroġenu, γ = 72.8 mN/m) < adeżjoni qawwija mal-ħġieġ (irbit tal-idroġenu mal-gruppi -OH tal-wiċċ) → θ ≈ 0-20° → jinfirex. Ekwazzjoni ta' Young: cos θ = (γ_solidu-fwar - γ_solidu-likwidu)/γ_likwidu-fwar. Meta l-adeżjoni > koeżjoni, cos θ > 0, allura θ < 90° (tixrib).

Le. It-tensjoni tal-wiċċ hija dejjem pożittiva—tirrappreżenta l-ispiża tal-enerġija biex tinħoloq erja tal-wiċċ ġdida. γ negattiva tfisser li l-uċuħ jespandu spontanjament, u jiksru t-termodinamika (l-entropija tiżdied, iżda l-fażi tal-massa hija aktar stabbli). Madankollu, it-tensjoni interfaċċjali bejn żewġ likwidi tista' tkun baxxa ħafna (qrib iż-żero): fl-irkupru mtejjeb taż-żejt, is-surfactants inaqqsu γ żejt-ilma għal <0.01 mN/m, u jikkawżaw emulsifikazzjoni spontanja. Fil-punt kritiku, γ = 0 eżattament (id-distinzjoni bejn likwidu u gass tisparixxi).