界面張力：定義、方程式、単位、測定 - 物理的

界面張力（γ）相（固体または液体）と別の（固体、液体または気体）との間の接触面に作用する単位長さ当たりの正味の力です。正味の力は接触面に対して垂直であり、相の内部に向けられます。

相の1つが気体である場合、それは通常表面張力と呼ばれます。接触している相は非混和性です。つまり、それらは一緒に溶解して溶液を形成することはできません。相間の接触領域は、界面と呼ばれる分離の幾何学的表面です。界面張力は、界面に存在する分子間力によるものです。

空気と接触する液体の分子間の力

界面張力は、乳濁液の生産や油の生産など、多くの界面現象やプロセスで重要な役割を果たします。

定義

界面の特性は、接触している相の内部の特性と同じではありません。その領域には、一方の相ともう一方の相の両方に属する分子があるため、異なる分子相互作用が現れるためです。

相内の分子は、同様の特性を持つ隣接する分子と相互作用します。その結果、引力と反発の相互作用がすべての可能な方向で同じであるため、正味の内力はゼロになります。

2つの相の間の表面にある分子は、同じ相の分子に囲まれていますが、他の相の隣接分子にも囲まれています。

この場合、正味の力はゼロではなく、相互作用がより大きい相の内部に向けられます。その結果、表面上の分子のエネルギー状態は、相内のエネルギー状態よりも大きくなります。

界面に沿って単位長さあたり内向きに作用する正味の力は、界面張力です。この力により、分子は自発的にエネルギーを最小化する傾向があり、体積の各単位の表面積を最小化します。

分子を内側から表面に引き付けるには、分子に作用する力が正味の力を超える必要があります。つまり、界面を大きくする作業が必要です。

界面領域を増やすために必要な力。（https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Surface_growing.png）

正味の分子間力が大きいほど、実行する作業が多くなり、エネルギー入力が大きくなります。このため、以下に述べるように、界面張力は仕事の関数またはエネルギーの関数としても定義されます。

界面張力は、界面に単位領域を作成するために必要な作業です。同様に、界面張力は、作成された単位面積あたりに必要な自由エネルギーとして定義されます。

正味の分子間力の関数としての界面張力の方程式は次のとおりです。

γ= F / 2l

界面張力が低下するのは、温度が高くなると分子の熱運動が大きくなるため運動エネルギーが大きくなるためです。

界面張力の実験的測定にはさまざまな方法があり、その中で最も適切なものは、接触している相の特性と実験条件に応じて選択できます。

これらの方法には、ウィルヘルミープレート法、デュヌイリング法、ペンダントドロップ法、回転ドロップ法などがあります。

これは、液相の表面がアルミニウムまたはガラス板に及ぼす下向きの力を測定することで構成されます。プレートに加えられる正味の力は、重量に引張力を加えたものに等しくなります。プレートの重量は、デバイスによってプレートに取り付けられたねじりに敏感なマイクロバランスによって得られます。

この方法では、金属リングの表面を液体の表面から引き離そうとする力が測定され、測定前にリングが完全に液体に沈んでいることを確認します。分離力は界面張力に等しく、高精度天びんを使用して測定されます。

この方法は、キャピラリーから垂れ下がる液滴の変形を測定することに基づいています。張力は滴の重量に等しいので、垂れている間、滴はバランスが保たれます。

滴の伸びは滴の重量に比例します。この方法は、重量による液滴の伸長長さの決定に基づいています。

ドロップペンダント方式

回転液滴法は、エマルションおよびマイクロエマルションの製造プロセスに適用される非常に低い界面張力を測定するのに非常に役立ちます。

それは、別の液体で満たされた毛細管の中に密度の低い液体を一滴置くことから成ります。液滴は、高速で回転運動により遠心力を受けます。これにより、液滴が軸上で長くなり、張力に対抗します。

界面張力は、変形する液滴の幾何学的形状の寸法と回転速度から得られます。