Tensão interfacial: definição, equação, unidades e medida

A tensão interfacial (γ) é a força resultante por unidade de comprimento exercida na superfície de contato entre uma fase (sólida ou líquida) e outra (sólida, líquida ou gasosa). A força resultante é vertical na superfície de contato e é direcionada para o interior das fases.

Quando uma das fases é um gás, geralmente é chamada de tensão superficial . As fases em contato são imiscíveis, ou seja, não podem se dissolver umas com as outras para formar uma solução. A região de contato entre as fases é uma superfície de separação geométrica chamada interface . A tensão interfacial é devida às forças intermoleculares presentes na interface.

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Forças entre moléculas de um fluido em contato com o ar [Por Booyabazooka (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wassermolek%C3%BCleInTr%C3%B6pfchen.svg)]

A tensão interfacial desempenha um papel importante em muitos fenômenos e processos interfaciais, como a produção de emulsões e a produção de petróleo.

Definição de

As propriedades da interface não são iguais às propriedades dentro das fases em contato, porque diferentes interações moleculares se manifestam porque nessa região existem moléculas que pertencem a uma e à outra fase.

As moléculas dentro de uma fase interagem com moléculas vizinhas, que têm propriedades semelhantes. Consequentemente, a força líquida interna é nula porque as interações atraentes e repulsivas são iguais em todas as direções possíveis.

As moléculas que estão na superfície entre as duas fases são cercadas por moléculas da mesma fase, mas também por moléculas vizinhas da outra fase.

Nesse caso, a força líquida não é zero e é direcionada para a fase em que há maior interação. O resultado é que o estado de energia das moléculas na superfície é maior que o estado de energia dentro da fase.

A força resultante que atua para dentro por unidade de comprimento ao longo da interface é a tensão interfacial. Devido a essa força, as moléculas tendem espontaneamente a minimizar a energia, minimizando a área de superfície para cada unidade de volume.

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Definição baseada em trabalho e energia

Para atrair uma molécula do interior para a superfície, é necessário que as forças que atuam na molécula excedam a força líquida. Em outras palavras, é necessário trabalhar para aumentar a superfície interfacial.

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Força necessária para aumentar a região interfacial. (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Surface_growing.png)

Quanto maior a força líquida intermolecular, maior o trabalho a ser realizado e maior a entrada de energia. Por esse motivo, a tensão interfacial também é definida como uma função do trabalho ou da energia, conforme mencionado abaixo:

A tensão interfacial é o trabalho necessário para criar uma unidade de área na interface. Da mesma forma, a tensão interfacial é definida como a energia livre necessária por unidade de área criada.

Equação e unidades de tensão interfacial

A equação da tensão interfacial em função da força intermolecular líquida é:

γ = F / 2l [1]

F = força líquida

l = comprimento da interface

O número 2 que aparece na equação [1] significa que existem duas superfícies, uma para cada lado da interface.

A tensão interfacial em função do trabalho necessário para gerar uma unidade de área superficial é expressa pela seguinte equação:

γ = W / ΔA [2]

W = Trabalho

ΔA = Aumento da área superficial

A criação da área interfacial é acompanhada por um aumento na energia livre de treinamento.

γ = ΔE / ΔA [3]

ΔE = energia de formação da interface

As unidades de tensão interfacial no sistema internacional são N / m ou Joules / m 2 . Dinas / cm ou mN / m também é comumente usado.

Dependência de temperatura

Um dos principais fatores que afetam a tensão interfacial é a temperatura. À medida que a temperatura aumenta, as forças de interação diminuem, como conseqüência disso, a força líquida que contrai a superfície também diminui, causando uma diminuição na tensão interfacial.

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Tensão superficial dependendo da temperatura do sistema água-ar [(https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Temperature_dependence_surface_tension_of_water.svg)]

Se a temperatura continuar aumentando, chegará um momento em que a tensão interfacial será cancelada e não haverá mais superfície de separação entre as fases. A temperatura na qual a tensão interfacial é cancelada é chamada de temperatura crítica ( t c ) .

A razão pela qual a tensão interfacial diminui é que o aumento da temperatura aumenta a energia cinética pelo aumento no movimento térmico das moléculas.

Medição de tensão interfacial

Existem diferentes métodos de medição experimental de tensão interfacial, entre os quais você pode escolher aquele que melhor lhe convém, de acordo com as propriedades características das fases em contato e as condições experimentais.

Esses métodos incluem o método da placa Wilhelmy, o método do anel Du Nouy, ​​o método de gota a gota e o método de gota rotativa.

Método da placa de Wilhelmy

Consiste em medir a força descendente exercida pela superfície de uma fase líquida em uma placa de alumínio ou vidro. A força líquida exercida na placa é igual ao peso mais a força tênsil. O peso da placa é obtido por uma microbalança sensível à torção ligada à placa por meio de um dispositivo.

Método do anel Du Nouy

Nesse método, a força para separar a superfície de um anel de metal de uma superfície líquida é medida, garantindo que, antes da medição, o anel fique completamente submerso no líquido. A força de separação é igual à tensão interfacial e é medida usando uma balança de alta precisão.

Drop Drop Method

Este método baseia-se na medição da deformação de uma gota pendurada em um capilar. A queda permanece em equilíbrio enquanto está suspensa porque a força tênsil é igual ao peso da queda.

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O alongamento da gota é proporcional ao peso da gota. O método baseia-se na determinação do comprimento de alongamento da queda devido ao seu peso.

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Método de descarte pendente [Por Urocyon (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pendant_drop_test.svg)]

Método de gota rotativa

O método de gota rotativa é muito útil para medir tensões interfaciais muito baixas que são aplicadas ao processo de produção de emulsões e microemulsões.

Consiste em colocar uma gota de um líquido menos denso dentro de um tubo capilar preenchido com outro líquido. A queda é submetida a uma força centrífuga devido a um movimento de rotação, com grande velocidade, que prolonga a queda no eixo e se opõe à força de tração.

A tensão interfacial é obtida a partir das dimensões da forma geométrica da gota, sendo deformada e da velocidade de rotação.

Referências

  1. Tadros, T. F. Surfactantes aplicados. Berkshire, Reino Unido: Wiley-VCH Verlag Gmbh & Co, 2005.
  2. van Oss, C. J. Forças Interfaciais em Meios Aquosos. Flórida, EUA: Taylor & Francis Group, 2006.
  3. Figura, L e Teixeira, A A. Física dos Alimentos: Propriedades Físicas – Medição e Aplicações. Alemanha: Springer, 2007.
  4. Anton de Salager, R E. Tensão da interface. Mérida: FIRP – Universidade dos Andes, 2005.
  5. Speight, J. G. Handbook of Petroleum Product Analysis. Nova Jersey, EUA: Jhon Wiley & Sons, 2015.
  6. Adamson, AW e Gast, A P. Físico-Química de Superfícies. EUA: John Wiley & Sons, Inc., 1997.
  7. Blunt, M J. Fluxo multifásico em meios permeáveis: uma perspectiva em escala de poros. Cambridge, Reino Unido: Cambridge University Press, 2017.

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