Agbara ti n ṣiṣẹ lẹba laini kan lori oju omi omi

Wiwọn ni awọn newtons fun mita kan (N/m) tabi awọn dynes fun centimita kan (dyn/cm). Ti o ba fojuinu fireemu kan pẹlu ẹgbẹ gbigbe kan ni ifọwọkan pẹlu fiimu omi kan, wahala oju omi ni agbara ti n fa lori ẹgbẹ yẹn ti a pin nipasẹ gigun rẹ. Eyi ni itumọ ẹrọ.

Fọ́múlì: γ = F/L níbi tí F = agbára, L = gígùn etí

Àpẹrẹ: Omi @ 20°C = 72.8 mN/m túmọ̀ sí 0.0728 N ti agbára fún mítà etí

Agbara ti o nilo lati ṣẹda agbegbe oju omi tuntun

Wiwọn ni awọn joules fun mita onigun mẹrin (J/m²) tabi awọn ergs fun centimita onigun mẹrin (erg/cm²). Ṣiṣẹda agbegbe oju omi tuntun nilo iṣẹ lodi si awọn agbara intermolecular. Nọmba aami kanna si wahala oju omi ṣugbọn o ṣe aṣoju irisi agbara kuku ju irisi agbara lọ.

Fọ́múlì: γ = E/A níbi tí E = agbára, A = ìbísí agbègbè ojú omi

Àpẹrẹ: Omi @ 20°C = 72.8 mJ/m² = 72.8 mN/m (nọ́mbà kan náà, ìtumọ̀ méjì)

Awọn agbara Intermolecular ṣe ipinnu ihuwasi oju omi

Isopọ: ifamọra laarin awọn molikula bii (omi-omi). Ifaramọ: ifamọra laarin awọn molikula ti ko jọra (omi-ri to). Isopọ giga → wahala oju omi giga → awọn isun omi di. Ifaramọ giga → omi n tan kaakiri (wetting). Iwontunwonsi pinnu igun olubasọrọ ati iṣẹ capillary.

Igun ìfarakanra θ: cos θ = (γ_SV - γ_SL) / γ_LV (ìdọ́gba Young)

Àpẹrẹ: Omi lórí gilasi ní θ kékeré (ìfarakanra > ìsopọ̀) → ó tàn káàkiri. Mercury lórí gilasi ní θ gíga (ìsopọ̀ >> ìfarakanra) → ó di pẹlẹbẹ.

Awọn adanwo iwọn akọkọ lori wahala oju omi

Onimọ-fisiksi ara Jamani Segner kẹkọọ awọn abẹrẹ lilefoofo o si ṣe akiyesi pe awọn oju omi huwa bi awọn awo ti o na. O ṣe iṣiro awọn agbara ṣugbọn ko ni imọ-jinlẹ molikula lati ṣalaye iṣẹlẹ naa.

Idogba Young fun igun olubasọrọ

Polymath ara ilu Gẹẹsi Young gba ibatan laarin wahala oju omi, igun olubasọrọ, ati wetting: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Idogba ipilẹ yii tun nlo loni ni imọ-ẹrọ ohun elo ati microfluidics.

Idogba Young-Laplace fun titẹ

Laplace gba ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) ti o nfihan pe awọn atọkun ti o tẹ ni awọn iyatọ titẹ. Ṣe alaye idi ti awọn nyoju kekere ni titẹ inu ti o ga ju awọn nla lọ—pataki fun oye ẹkọ nipa ẹkọ ẹdọforo ati iduroṣinṣin emulsion.

Imọ-jinlẹ molikula ti wahala oju omi

Onimọ-fisiksi ara Dutch van der Waals ṣe alaye wahala oju omi nipa lilo awọn agbara intermolecular. Iṣẹ rẹ lori ifamọra molikula gba Ebun Nobel 1910 o si fi ipilẹ lelẹ fun oye capillarity, ifaramọ, ati aaye to ṣe pataki.

Awọn Monolayers ati kemistri oju omi

Langmuir kẹkọọ awọn fiimu molikula lori awọn oju omi, ṣiṣẹda aaye ti kemistri oju omi. Iṣẹ rẹ lori awọn surfactants, adsorption, ati iṣalaye molikula gba Ebun Nobel 1932. Awọn fiimu Langmuir-Blodgett ni orukọ lẹhin rẹ.

Wahala oju omi pinnu wetting, itankale, ati ifaramọ:

• Agbekalẹ kikun: Ṣatunṣe γ si 25-35 mN/m fun itankale ti o dara julọ lori awọn sobusitireti
• Titẹ sita inki-jet: Inki gbọdọ ni γ < sobusitireti fun wetting (aṣoju 25-40 mN/m)
• Itọju Corona: Mu agbara oju omi polima pọ si lati 30 → 50+ mN/m fun ifaramọ
• Awọn aṣọ lulú: Wahala oju omi kekere ṣe iranlọwọ ipele ati idagbasoke didan
• Awọn aṣọ-egboogi-graffiti: γ kekere (15-20 mN/m) ṣe idiwọ ifaramọ kikun
• Iṣakoso didara: du Noüy oruka tensiometer fun aitasera-si-ipele

Awọn ohun-ọṣẹ ṣiṣẹ nipasẹ idinku wahala oju omi:

• Omi mimọ: γ = 72.8 mN/m (ko wọ inu awọn aṣọ daradara)
• Omi + ọṣẹ: γ = 25-30 mN/m (wọ inu, tutu, yọ epo kuro)
• Ifọkansi Micelle Critical (CMC): γ silẹ ni kiakia titi di CMC, lẹhinna awọn pẹlẹbẹ
• Awọn aṣoju tutu: Awọn olutọpa ile-iṣẹ dinku γ si <30 mN/m
• Omi ifọṣọ: Ti a ṣe agbekalẹ si γ ≈ 27-30 mN/m fun yiyọ girisi
• Awọn sprayers ipakokoropaeku: Fi awọn surfactants kun lati dinku γ fun agbegbe ewe ti o dara julọ

Wahala Interfacial laarin epo ati omi ni ipa lori isediwon:

• Wahala interfacial epo-omi: Ni deede 20-50 mN/m
• Imularada epo ti o ni ilọsiwaju (EOR): Fi awọn surfactants sinu lati dinku γ si <0.01 mN/m
• γ kekere → awọn isun epo emulsify → ṣan nipasẹ apata la kọja → imularada ti o pọ si
• Iwa ti epo robi: Akoonu oorun didun ni ipa lori wahala oju omi
• Sisan opo gigun ti epo: γ kekere dinku iduroṣinṣin emulsion, ṣe iranlọwọ fun ipinya
• Ọna isubu pendanti ṣe iwọn γ ni iwọn otutu/titẹ ifiomipamo

Wahala oju omi ṣe pataki fun awọn ilana igbesi aye:

• Surfactant ẹdọfóró: Dinku alveolar γ lati 70 si 25 mN/m, idilọwọ iṣubu
• Awọn ọmọ-ọwọ ti o ti tọjọ: Aisan inira atẹgun nitori aipe surfactant
• Awọn awo sẹẹli: Lipid bilayer γ ≈ 0.1-2 mN/m (kekere pupọ fun irọrun)
• Pilasima ẹjẹ: γ ≈ 50-60 mN/m, pọ si ni aisan (àtọgbẹ, atherosclerosis)
• Fiimu omije: Eto-ipele-ọpọlọpọ pẹlu Layer lipid ti o dinku evaporation
• Ifasimu kokoro: Eto Tracheal gbarale wahala oju omi lati ṣe idiwọ titẹsi omi

Awọn olutọpa omi (Gerridae) lo wahala oju omi giga ti omi (72.8 mN/m) lati ṣe atilẹyin 15× iwuwo ara wọn. Awọn ẹsẹ wọn ti wa ni bo pelu awọn irun epo-eti ti o jẹ superhydrophobic (igun olubasọrọ> 150 °). Ẹsẹ kọọkan ṣẹda dimple kan ni oju omi, ati wahala oju omi pese agbara si oke. Ti o ba fi ọṣẹ kun (dinku γ si 30 mN/m), wọn rì lẹsẹkẹsẹ!

Wahala oju omi n ṣiṣẹ lati dinku agbegbe oju omi fun iwọn didun ti a fun. Ayika ni agbegbe oju omi ti o kere ju fun eyikeyi iwọn didun (aidogba isoperimetric). Awọn nyoju ọṣẹ ṣe afihan eyi ni ẹwa: afẹfẹ inu n ti ita, wahala oju omi n fa sinu, ati iwọntunwọnsi ṣẹda iyipo pipe. Awọn nyoju ti kii ṣe iyipo (bii awọn onigun mẹrin ninu awọn fireemu waya) ni agbara ti o ga julọ ati pe ko ni iduroṣinṣin.

Awọn ẹdọforo ọmọ tuntun ni surfactant ẹdọforo (phospholipids + awọn ọlọjẹ) ti o dinku wahala oju omi alveolar lati 70 si 25 mN/m. Laisi rẹ, alveoli ṣubu lakoko isunmi (atelectasis). Awọn ọmọ-ọwọ ti o ti tọjọ ko ni surfactant ti o to, ti o fa Aisan Ibanujẹ Atẹgun (RDS). Ṣaaju itọju surfactant sintetiki (awọn ọdun 1990), RDS jẹ idi pataki ti iku ọmọ tuntun. Bayi, awọn oṣuwọn iwalaaye kọja 95%.

Tú ọti-waini sinu gilasi kan ki o wo: awọn isun omi dagba ni awọn ẹgbẹ, gun oke, ki o si ṣubu pada si isalẹ — 'omi omije ti ọti-waini.' Eyi ni ipa Marangoni: ọti-waini nyọ ni iyara ju omi lọ, ṣiṣẹda awọn gradients wahala oju omi (γ yatọ ni aaye). Omi n ṣan lati kekere-γ si awọn agbegbe giga-γ, ti nfa ọti-waini si oke. Nigbati awọn isun omi ba wuwo to, walẹ bori ati pe wọn ṣubu. Awọn ṣiṣan Marangoni ṣe pataki ni alurinmorin, ti a bo, ati idagbasoke gara.

Awọn molikula ọṣẹ jẹ amphiphilic: iru hydrophobic (korira omi) + ori hydrophilic (fẹran omi). Ninu ojutu, awọn iru duro jade kuro ni oju omi, idilọwọ isọpọ hydrogen ati idinku γ lati 72 si 25-30 mN/m. Ni Ifọkansi Micelle Critical (CMC), awọn molikula ṣe awọn micelles iyipo pẹlu awọn iru inu (idẹkùn epo) ati awọn ori ita. Eyi ni idi ti ọṣẹ fi yọ girisi kuro: epo ti wa ni tituka sinu awọn micelles ati pe a fọ ​​kuro.

Sọ kirisita camphor kan sori omi ati pe o sun-un ni ayika oju omi bi ọkọ oju omi kekere kan. Camphor tu kaakiri ni aibaramu, ṣiṣẹda gradient wahala oju omi (giga γ lẹhin, isalẹ niwaju). Oju-omi fa kirisita si awọn agbegbe giga-γ — mọto wahala oju omi kan! Eyi ni a fihan nipasẹ onimọ-fisiksi C.V. Boys ni ọdun 1890. Awọn onimọ-jinlẹ ode oni lo iru isunmọ Marangoni fun awọn microrobots ati awọn ọkọ ifijiṣẹ oogun.

Eyi jẹ ibatan thermodynamic ipilẹ, kii ṣe lasan. Ni iwọn: [N/m] = (kg·m/s²)/m = kg/s² ati [J/m²] = (kg·m²/s²)/m² = kg/s². Wọn ni awọn iwọn ipilẹ aami kanna! Ni ti ara: ṣiṣẹda 1 m² ti oju omi tuntun nilo iṣẹ = agbara × ijinna = (γ N/m) × (1 m) × (1 m) = γ J. Nitorinaa γ ti a wọn bi agbara/gigun dọgba γ ti a wọn bi agbara/agbegbe. Omi @ 20°C: 72.8 mN/m = 72.8 mJ/m² (nọmba kanna, itumọ meji).

Isopọ: ifamọra laarin awọn molikula bii (omi-omi). Ifaramọ: ifamọra laarin awọn molikula ti ko jọra (omi-gilasi). Isopọ giga → wahala oju omi giga → awọn isun omi di (mercury lori gilasi). Ifaramọ giga ni ibatan si isopọ → omi n tan kaakiri (omi lori gilasi mimọ). Iwontunwonsi pinnu igun olubasọrọ θ nipasẹ idogba Young: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Wetting waye nigbati θ < 90°; beading nigbati θ > 90°. Awọn oju omi Superhydrophobic (ewe lotus) ni θ > 150°.

Awọn molikula ọṣẹ jẹ amphiphilic: iru hydrophobic + ori hydrophilic. Ni wiwo omi-afẹfẹ, awọn iru n tọka si ita (yago fun omi), awọn ori n tọka si inu (ti o fa si omi). Eyi n ṣe idiwọ isọpọ hydrogen laarin awọn molikula omi ni oju omi, idinku wahala oju omi lati 72.8 si 25-30 mN/m. γ kekere gba omi laaye lati tutu awọn aṣọ ati wọ inu girisi. Ni Ifọkansi Micelle Critical (CMC, ni deede 0.1-1%), awọn molikula ṣe awọn micelles ti o tu epo.

Iwọn otutu ti o ga julọ fun awọn molikula ni agbara kainetik diẹ sii, ti o dinku awọn ifamọra intermolecular (awọn ifunpọ hydrogen, awọn agbara van der Waals). Awọn molikula oju omi ni fa apapọ ti nwọle ti o dinku → wahala oju omi kekere. Fun omi: γ dinku ~ 0.15 mN/m fun °C. Ni iwọn otutu to ṣe pataki (374°C fun omi, 647 K), iyatọ omi-gaasi parẹ ati γ → 0. Ofin Eötvös ṣe iṣiro eyi: γ·V^(2/3) = k(T_c - T) nibiti V = iwọn didun mola, T_c = iwọn otutu to ṣe pataki.

Awọn ọna akọkọ mẹrin: (1) Oruka du Noüy: Oruka Pilatnomu ti a fa lati oju omi, agbara ti a wọn (wọpọ julọ, ±0.1 mN/m). (2) Awo Wilhelmy: Awo tinrin ti a daduro ti o kan oju omi, agbara ti a wọn nigbagbogbo (pipe to ga julọ, ±0.01 mN/m). (3) Isubu pendanti: Apẹrẹ isubu ti a ṣe itupalẹ ni opitika nipa lilo idogba Young-Laplace (ṣiṣẹ ni T/P giga). (4) Igbega Capillary: Omi ngun tube dín, giga ti a wọn: γ = ρghr/(2cosθ) nibiti ρ = iwuwo, h = giga, r = rediosi, θ = igun olubasọrọ.

ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) ṣe apejuwe iyatọ titẹ kọja wiwo ti o tẹ. R₁, R₂ jẹ awọn radii akọkọ ti curvature. Fun iyipo kan (nyoju, isubu): ΔP = 2γ/R. Awọn nyoju kekere ni titẹ inu ti o ga ju awọn nla lọ. Apeere: 1 mm isubu omi ni ΔP = 2×0.0728/0.0005 = 291 Pa (0.003 atm). Eyi ṣe alaye idi ti awọn nyoju kekere ninu foomu dinku (gaasi ntan lati kekere si nla) ati idi ti alveoli ẹdọfóró nilo surfactant (dinku γ nitorina wọn ko ṣubu).

Mercury: Isopọ ti o lagbara (isopọpọ irin, γ = 486 mN/m) >> ifaramọ alailagbara si gilasi → igun olubasọrọ θ ≈ 140° → awọn ilẹkẹ soke. Omi: Isopọpọ iwọntunwọnsi (isopọpọ hydrogen, γ = 72.8 mN/m) < ifaramọ ti o lagbara si gilasi (awọn ifunpọ hydrogen pẹlu awọn ẹgbẹ -OH oju omi) → θ ≈ 0-20° → awọn itankale. Idogba Young: cos θ = (γ_riro-vapor - γ_riro-omi)/γ_omi-vapor. Nigbati ifaramọ > isopọ, cos θ > 0, nitorina θ < 90° (wetting).

Bẹẹkọ. Wahala oju omi jẹ rere nigbagbogbo — o ṣe aṣoju idiyele agbara lati ṣẹda agbegbe oju omi tuntun. γ odi yoo tumọ si pe awọn oju omi yoo faagun lairotẹlẹ, ti o lodi si thermodynamics (entropy pọ si, ṣugbọn ipele olopobobo jẹ iduroṣinṣin diẹ sii). Sibẹsibẹ, wahala interfacial laarin awọn olomi meji le jẹ kekere pupọ (sunmọ-odo): ni imularada epo ti o ni ilọsiwaju, awọn surfactants dinku epo-omi γ si <0.01 mN/m, ti o fa emulsification lẹẹkọkan. Ni aaye to ṣe pataki, γ = 0 ni deede (iyatọ omi-gaasi parẹ).