ROVNOVÁHA NA ROZHRANÍ TŘÍ FÁZÍ Snížení energie systému záměnou fázových rozhraní ROVNOVÁHA NA ROZHRANÍ TŘÍ FÁZÍ

Uspořádání třífázového systému závisí na hodnotách mezifázových energii. Mezifázová energie (mezifázové napětí) je vlastnost, která charakterizuje rozhraní mezi dvěma objemovými fázemi; rozhraní tří fází – průsečnice tří dvoufázových rozhraní – je charakterizováno smáčecím (kontaktním) úhlem.

Mezifázové energie i kontaktní úhel mají původ v mezimolekulárních interakcích v objemových fázích

prakticky významných pochodů, jako např. Hodnoty mezifázových energií a úhlu smáčecího úhlu umožňují porozumět takovým jevům jako jsou smáčení a rozestírání, které jsou důležité v řadě prakticky významných pochodů, jako např. detergence, příprava vodovzdorných povrchů, příprava ochranných povrchových vrstev, aplikace instekticidů,..., i v mnohých inženýrských procesech přenos tepla v zařízeních, kde hlavní úlohu hraje vypařování a kondenzace, flotace aj. Studium mezifázových vlastností umožňuje nejen tyto jevy pochopit, ale také zjistit, jak ovlivnit vlastnosti fázového rozhraní, aby uvedené pochody probíhaly žádaným způsobem.

Aij plochy fázových rozhraní Systém sestávající ze tří fází se uspořádá tak, aby součet energií všech fázových rozhraní a potenciálních energií všech fází byl minimální. Aij plochy fázových rozhraní ij mezifázové energie Ep součet potenciálních energií všech fází. Kde je možno zanedbat vliv gravitace:

Kapka na povrchu pevné fáze Youngova rovnice 1. ℓg  sg  sℓ

Kapka na povrchu pevné fáze 2. ale ℓg  sg  sℓ

Kapka na povrchu pevné fáze rozestírání 3.

selektivní smáčení

Porovnávání rozestíracích schopností Kohezní a adhezní práce, rozestírací koeficient Při rozestírání si konkurují přitažlivé síly mezi molekulami rozestírané kapaliny (síly kohezní) a mezimolekulární síly mezi oběma fázemi (síly adhezní), jejichž rozhraní při rozestírání zvětšuje svou plochu. Kohezní práce práce potřebná k roztržení sloupce kapaliny o jednotkovém průřezu Adhezní práce práce potřebná k odtržení sloupce kapaliny A o jednotkovém průřezu od druhé fáze B Wa = A + B – AB Wk = 2 A

Harkinsův rozestírací koeficient  = 81,1° ethylenglykol Sℓ/s = −40,6 mN/m  = 63,7° benzylalkohol Sℓ/s = −17,8 mN/m Sℓ/s = Wa – Wk = sg –  ℓs – ℓg sg – ℓs = ℓg cos θ Sℓ/s = ℓg (cos θ – 1) Sℓ/s = −5,9 mN/m  = 38,2° toluen Podmínka rozestírání:  = 32,1° tetradekan Sℓ/s = −4,0 mN/m Wa ≥ Wk  = 28,2° Sℓ/s = −2,9 mN/m cyklohexan Sℓ/s ≥ 0  = 18,5° Sℓ/s = −1,2 mN/m dekan Sℓ/s ≥ 0  = 0° oktan, heptan, hexan, pentan

Co se rozestírá po čem? Rozestírání organických kapalin na vodném povrchu:  látky, v jejichž molekulách jsou polární skupiny - velká adheze vůči vodě (mezifázová energie AB je velice malá).  nepolární látky, adheze vůči vodě je malá, ale velmi malá je i jejich kohezní energie Rozestírání vody na organických kapalinách: voda má velikou kohezní energii (povrchové napětí vody je mnohem větší než povrchové napětí většiny organických látek), se na povrchu organických kapalin nerozestírá.

Tři kapaliny

Chování kapalin v kapilárách Kapilární elevace R q r q ℓg h  R2 h   g = 2  R ℓg cos  měření povrchového a mezifázového napětí

kapilární elevace u kolibříků ?

Jazyk kolibříka Hummingbird tongues. (A) Nectarivores use their tongue (yellow) as their primary food-gathering tool. (B) Lateral picture of a post mortem Ruby-throated Hummingbird (Archilochus colubris) tongue tip protruding from the bill tip. (C) Dorsal view of the morphology of a hummingbird tongue (approximate dimensions for A. colubris) showing length of the entire tongue, open-sided grooves, and the fringed (lamellar) region of the tip (distal approximately 6 mm). Base of the tongue is on the left; tip on the right. (D) Cross-sectioning shows the structural arrangement along the distal region of the tongue; green arrows identify the placement of the cross-sections. Black lines indicate the same structures in dorsal and cross-sectional views. Note the change in position of supporting rods from the base of the grooves to the tongue tip. Unlabeled scale bars, 0.5 mm. Rico-Guevara A , and Rubega M A PNAS 2011;108:9356-9360

Transport vody kapilární elevací vlasové výčnělky pádlovité výčnělky Ishii D. (DOI: 10.1038/srep03024) wharf roach (Ligia exotica) transports water via open capillaries on its legs HLP - hair-like protrusion PLP – paddle-like protrusion  It is found in various parts of the world living on rocky coasts and harbour walls just above high water mark. Ligia exotica

kapilární elevace Vlákno Moira – kapilární prostory až 2x větší než u běžného vlákna

Kapilární deprese r R q p-q

kapilární deprese Rtuťová porozimetrie

dokonale smáčena kapalinou C, špatně smáčena kapalinou B Pevné částice na rozhraní mezi dvěma fázemi Pevná fáze S je dokonale smáčena kapalinou C, špatně smáčena kapalinou B  částice přejde do fáze C částice zůstane v rozhraní, většinou objemu ve fázi C Pevná fáze S je selektivně smáčena kapalinou C 

Plavání pevných částic účinkem povrchových sil mohou plavat na hladině kapaliny i malá tělesa o větší hustotě než je hustota kapaliny

Plavání pevných částic na částici působí gravitace. povrchové síly & 90<  < 180 částice plave 0<  < 90 částice se potopí (cos  < 0) (cos  > 0)   (V ρs – V  ρℓ) g = –ℓg  L  cos    V objem částice, ρs a ρℓ hustota tuhé částice a kapaliny V objem ponořené části, L  obvod částice v místě styku s kapalinou Plavání částic je možné pouze nesmáčí-li kapalina tuhou látku.

Flotace  oddělování rudy od hlušiny  separace plastů Flotace rudy Suspenze obou složek je probublávána vzduchem, hydrofobní částice jsou bublinami unášeny na povrch do vrstvy pěny; hydrofilní částice zůstávají ve vodné fázi a klesají ke dnu Hydrofobní částice - velký smáčecí úhel, který lze ještě zvětšit přídavkem tzv. kolektorů Hydrofilní částice Adheze malých částic rudy k velké bublině Flotace rudy Adheze malých bublinek k velkým částicím plastu Flotace plastů

SKLAPNI !