계면 장력 (γ)는 상 (고체 또는 액체)와 다른 (고체, 액체 또는 기체)의 접촉면에 작용하는 단위 길이 당 총 힘이다. 순 힘은 접촉면에 수직이며 위상 내부로 향합니다.
상 중 하나가 기체 인 경우 일반적으로 표면 장력이라고합니다. 접촉하는상은 혼합 할 수 없습니다. 즉, 함께 용해되어 용액을 형성 할 수 없습니다. 위상 사이의 접촉 영역은 인터페이스라고하는 기하학적 분리 표면입니다. 계면 장력은 계면에 존재하는 분자간 힘 때문입니다.
공기와 접촉하는 액체 분자 사이의 힘
계면 장력은 에멀젼 생산 및 오일 생산과 같은 많은 계면 현상 및 공정에서 중요한 역할을합니다.
정의
계면의 특성은 접촉하는 상 내부의 특성과 동일하지 않습니다. 그 영역에는 한 상과 다른 상 모두에 속하는 분자가 있기 때문에 다른 분자 상호 작용이 나타나기 때문입니다.
상 내의 분자는 유사한 특성을 가진 이웃 분자와 상호 작용합니다. 결과적으로, 매력적이고 반발적인 상호 작용이 가능한 모든 방향에서 동일하기 때문에 순 내부 힘은 0입니다.
두 상 사이의 표면에있는 분자는 동일한상의 분자로 둘러싸여 있지만 다른상의 인접 분자로 둘러싸여 있습니다.
이 경우 순 힘은 0이 아니며 더 큰 상호 작용이있는 단계의 내부로 향합니다. 그 결과 표면에있는 분자의 에너지 상태가 위상 내의 에너지 상태보다 큽니다.
인터페이스를 따라 단위 길이 당 안쪽으로 작용하는 순 힘은 계면 장력입니다. 이 힘으로 인해 분자는 자발적으로 에너지를 최소화하는 경향이있어 각 부피 단위의 표면적을 최소화합니다.
일과 에너지에 기반한 정의
분자를 내부에서 표면으로 끌어 당기려면 분자에 작용하는 힘이 순 힘을 초과해야합니다. 즉, 계면을 늘리기위한 작업이 필요합니다.
계면 영역을 늘리는 데 필요한 힘. (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Surface_growing.png)
순 분자간 힘이 클수록 수행해야 할 일과 에너지 입력이 커집니다. 이러한 이유로 계면 장력은 아래에 언급 된 것처럼 일의 함수 또는 에너지의 함수로 정의됩니다.
계면 장력은 인터페이스에서 단위 영역을 만드는 데 필요한 작업입니다. 마찬가지로 계면 장력은 생성 된 단위 면적당 필요한 자유 에너지로 정의됩니다.
계면 장력의 방정식 및 단위
순 분자간 힘의 함수로서 계면 장력의 방정식은 다음과 같습니다.
γ = F / 2l
계면 장력이 감소하는 이유는 온도가 증가함에 따라 분자의 열 운동 증가로 인해 운동 에너지가 증가하기 때문입니다.
계면 장력 측정
계면 장력의 실험 측정 방법에는 여러 가지가 있으며, 그중 가장 적합한 방법은 접촉하는상의 특성과 실험 조건에 따라 선택할 수 있습니다.
이러한 방법에는 Wilhelmy 플레이트 방법, Du Nouy 링 방법, 펜던트 드롭 방법 및 회전 드롭 방법이 포함됩니다.
Wilhelmy 플레이트 방식
알루미늄 또는 유리판에 액상 표면이 가하는 하향 힘을 측정하는 것으로 구성됩니다. 플레이트에 가해지는 순 힘은 무게에 인장력을 더한 것과 같습니다. 플레이트의 무게는 장치에 의해 플레이트에 부착 된 비틀림 감지 마이크로 저울에 의해 얻어집니다.
Du Nouy 링 방식
이 방법에서는 금속 링의 표면을 액체 표면에서 분리하는 힘을 측정하여 측정하기 전에 링이 액체에 완전히 잠겨 있는지 확인합니다. 분리력은 계면 장력과 같으며 고정밀 저울을 사용하여 측정됩니다.
드롭 펜던트 방식
이 방법은 모세관에 매달려있는 방울의 변형을 측정하는 방법을 기반으로합니다. 인장력이 방울의 무게와 같기 때문에 방울이 매달려있는 동안 균형을 유지합니다.
방울의 연신율은 방울의 무게에 비례합니다. 이 방법은 무게로 인한 드롭의 연신 길이를 결정하는 데 기반합니다.
드롭 펜던트 방식
회전 드롭 방식
회전 드롭 방법은 에멀젼 및 마이크로 에멀젼 생산 공정에 적용되는 매우 낮은 계면 장력을 측정하는 데 매우 유용합니다.
다른 액체로 채워진 모세관 내부에 밀도가 낮은 액체 한 방울을 넣는 것으로 구성됩니다. 드롭은 회전 운동으로 인해 원심력을받으며, 속도가 빨라서 축의 드롭을 늘리고 인장력에 반대합니다.
계면 장력은 방울의 기하학적 모양, 변형되는 치수 및 회전 속도에서 얻습니다.
참고 문헌
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