Határfelületi jelenségek: fluid határfelületek

Átírás

1 Határfelületi jelenségek: fluid határfelületek Bányai István 3. óra

2 Határfelületi jelenségek: fluid határfelületek A felület fogalma A felületi feszültség Kontaktszög, nedvesedés, szétterülés Adszorpció Biológiai határfelületek

3 A határfelület meghatározása, Két homogén fázis közötti véges vastagságú réteg, amelyen belül a sajátságok változnak tipusai Molekuláris szinten a határfelület vastagsága jelentős, nem nulla. Felületaktiv anyag Fluid határfelületek: G-L, L 1 -L 2 A felületaktív anyag feldúsul a felületen, így ez a sajátság nem monoton változik a határfelületen. Nem-fluid határfelületek : G-S, L-S, S 1 -S 2

4 Felületi feszültség A felületi molekulákra anizotrop erőtér hat. Egy befelé húzó nettó erő hat, ami annál nagyobb minél nagyobb az aszimmetria. Miután kialakul a minimális felszín a mechanikai egyensúly, az eredő erő nulla, a felszín nagysága nem csökken tovább. Növeléséhez energia kell. Az az erő amely összetartja a felszínt jellemző az anyagra Egységnyi felület szabad entalpiája, J/m 2 dg da npt,, A összehúzó erő minimális nagyságú felületet alakít ki. A felületi feszültség egységnyi új felület kialakulásához szükséges munka izoterm reverzibilis körülmények között, állandó n, p, V mellett tiszta folyadékok esetében. G =A (tiszta folyadéknál nincsenek egyéb tagok, pl. koncentráció-változás) mindig pozitív ezért csak a felület, A, csökkenhet önként ameddig lehet.

5 Mackenna aranya 1:10-2:00 CR7Gg

6 A felületi feszültség: hétköznapi jelenségek -A levegő víz határfelületi feszültség nagyobb, mint szál-levegő, vagy szál-víz (ilyen példa a homokvár is). df dx

7 Általános definíció: =F/2l A felületi feszültség jele γ, az az erő amely egy képzeletbeli, egységnyi hosszú vonal mentén hat, és amely erő parallel a felülettel és merőleges a vonalra, N/m. Ha a gravitációs erő kisebb mint a felületi feszültség akkor a tárgy úszik a felületen (rovar, tű, gyűrű). A felület megnöveléséhez munka kell.

8 Dupré- kísérlet L L L L S F 1 F 1 F 1 F előadás 8

9 Számítási példa A tű hossza 3,2 cm milyen tömegű tű kell a kísérlethez, hogy ne süllyedjen el Megoldás: Kérdés: ugyanez a tű megmarad-e az etilalkohol tetején? Mi történik ha függőlegesen ejtem a tűt a vízre? viz = N/m etanol = N/m Kb 0.47 g 1 g= N

10 Walking on Water Water Striders & Surface Tension 1 mm 2 mm 3mM 4 mm 5mM NaDS 0.05 M ~ 0.05 N/m Kérdés: milyen nehéz az molnárka amely kb 1cm hosszan érintkezik a felszínnel és, amely az 0.005M os NaDS oldatban éppen elsüllyed?

11 Felületi feszültség, határfelületi feszültség A felületi feszültés annál nagyobb minél nagyobb a molekulák közötti kohézió (diszperziós kölcsönhatás, hidrogén kötés, aromás jelleg, fémes kötés) A határfelületi feszültség, AB általában annál nagyobb, minél nagyobb az aszimmetria a határfelületen, azaz a különbség a folyadékok között (ha nincs rendeződés vagy egyéb kölcsönhatás a határfelületen!). A *; B * a másik folyadékkal telitett oldat felületi feszültsége. * * AB ~ A B

12 Görbült felületek, Laplace-nyomás Görbült felületnél a két oldali nyomás különbözik, (ez nem gőznyomás, sík felszínnél nulla) Mindig azon az oldalon nagyobb a nyomás amerre a felület horpad! Folyadék csepphez hasonlóan egy felszín van buborék p 2 >p 1 p p 2 >p 1 Szappan buborék p 1 p 2 víz levegő p 1 levegő p 2 Két felszín van ezért duplázódik 2 p levegő 4 r p m r m Egyensúlyban a felületi feszültség kompenzálja a nyomáskülönbséget a felszín két oldala között A cseppen belül a belső nyomás nő ahogyan a sugár csökken p Kérdés: ha egyforma buborékot fújunk a szappanos vízbe és ugyanabból a levegőbe egyforma lesz-e a belső nyomás?

13 Julius Miller 1:20-4:15

14 Görbült felületek, kapilláris nyomás Görbült felületnél a két oldali nyomás különbözik Mindig azon az oldalon nagyobb a nyomás amerre a felület görbül! A víz felemelkedik a kapillárisban a higany lesüllyed. a felületi feszültség és nedvesedési sajátságok különböznek. Ha r m a meniszkusz sugara: ha a folyadékon belül van r m >0, és ha kívül van r m < 0. homorú r m < 0 domború r m >0 p 2 r m A meniszkusz az adhézió és kohézió arányától függ. Jól nedvesedő felület, nagy adhézió, felkúszik a folyadék. A felületi feszültség egyben tartja a felszínt, és ezért ahelyett, hogy a sarkoknál felkúszna, az egész folyadék felszín felfelé húzódik. a gömb sugara mindig pozitív, csak a meniszkusznál lehet negatív is, homorú felszínnél

15 Kapilláris emelkedés vagy süllyedés 2 2 r k gh r k 1 ghr c 2 Ahol r c a kapillaris sugara (m), r a sűrűség (kg/m 3 ), h a folyadékoszlop magassága, g gravitációs gyorsulás (m/s 2 ) r k, m h/m Wilhelmy lemez du Noü gyűrű

16 Görbült felületek feletti gőznyomás Kelvin egyenlet p V 2 p RT rm ln r L A folyadék és a gőze egyensúlyban vannak!! r m > 0 akkor p r /p >1 ha r m <0 p r /p <1 Ahol pr, p a gőz nyomása (Pa) az r m görbületű meniszkusz (m) és a sík felület felett, V L moltérfogat (m 3 /mol) A csepp sugara ΔP különböző sugarú vízcseppeknél 1 mm 0.1 mm 1 μm 10 nm ΔP (bar) Következmények Ostwald-féle izoterm átkristályosodás (Ostwald ripening, durvulás) Túltelítés, másodlagos góchatás fázisképződéskor, kapilláris kondenzáció

17 2/3 M E k V k T T 6 A hőmérséklet hatása Eötvös Loránd (Magyar fizikus bevezette a moláris felületi feszültség fogalmát): 2/3 V ketc T 2/3 d M / Anomáliák! dt J( mol ) K 7 2/3 1 Víz, ecetsav~1 asszociáció Glicerin trisztearát ~6 rendezettseg A hm-el valtozik V M moláris térfogat, T k kritikus hm. Ramsay-Shields-Eötvös egyenlet d ds dt da p T Felületi entrópia mindig nő a hm.-el a felületi feszültség mindig csökken

18 Kontakt szög: szétterülés, nedvesedés egyensúlyban G L 1 L 2 cos cos cos cos GL L L 2 GL cos GS LS GL Teljes nedvesítés kor a szög zérus GS LS GL Miért van az hogy az egyik textília jól felszívja a vizet a másik nem? A nedvesedés az adhézió és kohézió arányától függ.

19 Hidrofób, hidrofil felületek Az érdesség növeli a peremszöget S Rosszul nedvesedő, θ>90, (Teflon) Jól nedvesedő, θ<90 (θ=0 ) Impregnálás (beton, bőr, papír, textilia,fa stb.)

20 Hidrofób felületek C Polydimethylsiloxane PDMS. H Si O inert, non-toxic and non-flammable. As a food additive, it has the E number E900 and is used as an anti-foaming agent Polysiloxanes is hydrophobic and is good water repellant, as well as being slippery so other substances will not stick to it either. Also, since it is permeable to gases while being impermeable to particles, it is a good protective coating. The bonding is strong and so the polymer can be used as a good adhesive as well. These three applications are also enhanced because of the flexibility of the polymer going on in the application. Anti static, anti fog properties. Polytetrafluoroethylene (PTFE) is a fluoropolymer Teflon is often used to coat non-stick frying pans as it has very low friction and high heat resistance. Teflon Impregnálás (beton, bőr, papír, textilia,fa stb.)

21 Kontakt szög, nedvesedés, szétterülés Amikor az adhéziós erő nagyobb mint a kohéziós akkor, a folyadék hajlamos nedvesíteni a felületet, amikor az adhéziós erő kisebb mint a kohéziós, akkor a folyadék nem hajlandó nedvesíteni a felületet W a -W k

22 Adhézió, kohézió, szétterülés W a = alsó + felső - határ W k =2 felső felső fázis S=W a -W k, szétterülési együttható 12 da TP, Az adhéziós munka két egymással nem elegyedő folyadék között egyenlő az egységnyi felületük szétválasztásához és egyúttal két új, tiszta folyadék-levegő határfelület létrehozásához szükséges munkával. Ábra a) kép A kohéziós munka egy egynemű folyadék esetében az a munka, amely ahhoz szükséges hogy a folyadék egységnyi keresztmetszetét szétválasszuk. Ábra b) kép S helyett is jelölik szétterül ha S>0 A szétterülési együttható a felület változásával járó szabad entalpia, ellentétes előjellel vagyis a munkavégzés szétterül ha S>0 S dg S= alsó -( felső + határ )

23 GS LS Szétterülés S= alsó -( felső + határ ) GS LS GL GS LS

24 Szétterülés S 12 dg da TP, szétterül ha S>0 S kezdeti =72.8-( )=41.2 mj/m 2 S egyensulyi =28.5-( )= -2.9 mj/m2

25 Vége 3.

26 Vége

27 Érdekes? minimális felület, nemcsak gömb lehet A soap film minimizes its area under surface tension, so dipping a wire frame into soapy water produces a minimal surface geometry, as the following example illustrates. The simplest examples of minimal surfaces are the catenoid and helicoid which are illustrated below. Probáljunk ki különböző kereteket,kocka, tetraéder stb A szappan filmek jó példák a minimális illetve a nulla átlagos görbületű felületekre

28 Laplace egyenlet p 2 r P Mechanikai egyensúlyban az eredő erő nulla: F z F z 0 A cseppen belüli nyomás nő, ahogyan a sugár csökken? rc cos r P P r 2r cos 0 2 c P P P c 2 r

29 Surface tension at a curved interface If a fluid interface is curved the pressures on either side must be different. The forces of surface tension are exactly balanced by the difference in the pressure on the two sides of the interface. the Laplace equation for a spherical liquid surface: P 2 r F P z F z 0 cos rc r 2 c P P ( r ) (2 r ) cos 0 c P P P Perimeter=2r c 2 r Projected area =r c 2 r c radius of spherical cup

30 Surface tension at a curved interface the Laplace equation for a spherical liquid surface: P 2 r A soap bubble has two spherical surfaces (inside and outside)

31 r k, m h, m