ROVNOVÁHA NA ROZHRANÍ TŘÍ FÁZÍ Snížení energie systému

Prezentace na téma: "ROVNOVÁHA NA ROZHRANÍ TŘÍ FÁZÍ Snížení energie systému"— Transkript prezentace:

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

2 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.

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

4 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.

5 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:

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

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

8 Kapka na povrchu pevné fáze
rozestírání 3.

9 selektivní smáčení

10 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

11 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

12 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.

13

14 Tři kapaliny

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

16

17 kapilární elevace u kolibříků ?

18 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:

19 Transport vody kapilární elevací
vlasové výčnělky pádlovité výčnělky Ishii D. (DOI: /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

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

21 Kapilární deprese r R q p-q

22

23 kapilární deprese Rtuťová porozimetrie

24 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 

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

26 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.

27 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

28 SKLAPNI !