tegangan antar muka (γ) adalah gaya total per satuan panjang diberikan pada permukaan kontak antara fase (padat atau cair) dan lainnya (padat, cair atau gas). Gaya total adalah vertikal ke permukaan kontak dan diarahkan ke bagian dalam fase.
Ketika salah satu fase adalah gas, biasanya disebut tegangan permukaan . Fasa-fasa yang bersentuhan tidak dapat bercampur, yaitu, mereka tidak dapat larut bersama untuk membentuk larutan. Daerah kontak antara fase adalah permukaan geometris pemisahan yang disebut antarmuka . Tegangan antarmuka disebabkan oleh gaya antarmolekul yang ada pada antarmuka.
Gaya antar molekul cairan yang bersentuhan dengan udara [Oleh Booyabazooka (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wassermolek%C3%BCleInTr%C3%B6pfchen.svg)]
Tegangan antarmuka memainkan peran penting dalam banyak fenomena dan proses antarmuka seperti produksi emulsi dan produksi minyak .
Definisi
Sifat-sifat antarmuka tidak sama dengan sifat-sifat di dalam fase-fase yang bersentuhan, karena interaksi molekuler yang berbeda dimanifestasikan karena di wilayah itu terdapat molekul-molekul yang termasuk dalam satu fase dan fase lainnya.
Molekul dalam fase berinteraksi dengan molekul tetangga, yang memiliki sifat serupa. Akibatnya, gaya total internal adalah nol karena interaksi tarik-menarik dan tolak-menolak adalah sama di semua arah yang mungkin.
Molekul yang berada di permukaan antara dua fase dikelilingi oleh molekul dari fase yang sama tetapi juga oleh molekul tetangga dari fase lain.
Dalam hal ini, gaya total tidak nol, dan diarahkan ke bagian dalam fase di mana ada interaksi terbesar. Hasilnya adalah keadaan energi molekul di permukaan lebih besar daripada keadaan energi dalam fase.
Gaya total yang bekerja ke dalam per satuan panjang sepanjang antarmuka adalah tegangan antarmuka. Karena gaya ini, molekul secara spontan cenderung meminimalkan energi, meminimalkan luas permukaan untuk setiap satuan volume .
Definisi berdasarkan usaha dan energi
Untuk menarik molekul dari dalam ke permukaan, gaya yang bekerja pada molekul harus melebihi gaya total. Dengan kata lain, kerja diperlukan untuk meningkatkan permukaan antarmuka.
Gaya yang diperlukan untuk meningkatkan wilayah antarmuka. (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Surface_growing.png)
Semakin besar gaya antarmolekul bersih, semakin besar pekerjaan yang harus dilakukan dan semakin besar masukan energi. Untuk alasan ini, tegangan antarmuka juga didefinisikan sebagai fungsi kerja atau sebagai fungsi energi, seperti yang disebutkan di bawah ini:
Tegangan permukaan adalah usaha yang diperlukan untuk membuat satu satuan luas pada antarmuka. Demikian juga, tegangan antarmuka didefinisikan sebagai energi bebas yang dibutuhkan per satuan luas yang dibuat.
Persamaan dan satuan tegangan antarmuka
Persamaan tegangan antarmuka sebagai fungsi dari gaya bersih antarmolekul adalah:
= F / 2l [1]
F = Gaya bersih
l = panjang permukaan
Angka 2 yang muncul pada persamaan [1] berarti ada dua permukaan, satu untuk setiap muka antarmuka.
Tegangan permukaan sebagai fungsi usaha yang diperlukan untuk menghasilkan satuan luas permukaan dinyatakan dengan persamaan berikut:
γ = W / ΔA [2]
W = Usaha
A = Pertambahan luas permukaan
Penciptaan area antarmuka disertai dengan peningkatan energi bebas formasi.
γ = ΔE / ΔA [3]
E = Energi pembentukan permukaan
Satuan tegangan permukaan dalam sistem internasional adalah N / m atau Joule / m 2 . Dyn / cm atau mN / m juga sering digunakan.
Ketergantungan suhu
Salah satu faktor utama yang mempengaruhi tegangan permukaan adalah suhu. Ketika suhu meningkat, gaya interaksi berkurang, sebagai akibatnya, gaya total yang berkontraksi pada permukaan juga berkurang yang menyebabkan penurunan tegangan antarmuka.
Tegangan permukaan sebagai fungsi suhu sistem air-udara [(https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Temperature_dependence_surface_tension_of_water.svg)]
Jika suhu terus meningkat, akan tiba saatnya tegangan antarmuka akan hilang dan tidak akan ada lagi permukaan pemisah antar fase. Suhu di mana tegangan antarmuka hilang disebut suhu kritis ( t c ) .
Alasan mengapa tegangan antarmuka menurun adalah karena suhu meningkat, energi kinetik meningkat karena peningkatan gerakan termal molekul.
Pengukuran tegangan permukaan
Ada berbagai metode pengukuran eksperimental tegangan antarmuka, di antaranya yang paling cocok dapat dipilih sesuai dengan sifat ciri-ciri fase dalam kontak dan kondisi eksperimental.
Metode ini meliputi metode pelat Wilhelmy, metode cincin Du Nouy, metode jatuh gantung, dan metode jatuhan berputar.
Metode pelat Wilhelmy
Ini terdiri dari mengukur gaya ke bawah yang diberikan oleh permukaan fase cair pada pelat aluminium atau kaca. Gaya total yang bekerja pada pelat sama dengan berat ditambah gaya tarik. Berat pelat diperoleh dengan timbangan mikro sensitif torsi yang dipasang pada pelat oleh perangkat.
Metode cincin Du Nouy
Dalam metode ini, gaya untuk memisahkan permukaan cincin logam dari permukaan cairan diukur, memastikan bahwa sebelum pengukuran, cincin benar-benar terendam dalam cairan. Gaya pemisahan sama dengan tegangan permukaan dan diukur menggunakan keseimbangan presisi tinggi.
Metode penurunan lereng
Metode ini didasarkan pada pengukuran deformasi tetesan yang tergantung dari kapiler. Jatuh tetap seimbang saat digantung karena gaya tarik sama dengan berat jatuh.
Perpanjangan jatuh sebanding dengan berat jatuh. Metode ini didasarkan pada penentuan panjang perpanjangan jatuh karena beratnya.
Metode pelepasan tertunda [Oleh Urocyon (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pendant_drop_test.svg)]
Metode jatuh berputar
Metode spinning drop sangat berguna untuk mengukur tegangan antarmuka yang sangat rendah yang diterapkan pada proses produksi emulsi dan mikroemulsi.
Ini terdiri dari menempatkan setetes cairan kurang padat di dalam tabung kapiler diisi dengan cairan lain. Jatuh tersebut mengalami gaya sentrifugal karena gerakan rotasi, dengan kecepatan tinggi, yang memperpanjang penurunan pada sumbu dan melawan gaya tarik.
Tegangan permukaan diperoleh dari dimensi bentuk geometris jatuh, deformasi, dan dari kecepatan rotasi.
Referensi
- Tadros, TF Terapan Surfaktan. Berkshire, Inggris : Wiley-VCH Verlag Gmbh & Co, 2005.
- van Oss, C J. Gaya Antarmuka di Media Berair. Florida, AS : Taylor & Francis Group, 2006.
- Gambar, L dan Teixeira, A. Fisika Makanan: Sifat Fisik – Pengukuran dan Kegunaan. Jerman : Springer, 2007.
- Anton de Salager, R E. Tegangan Antarmuka. Merida : FIRP – Universidad de los Andes, 2005.
- Speight, J G. Buku Pegangan Analisis Produk Minyak Bumi. New Jersey, AS : Jhon Wiley & sons, 2015.
- Adamson, AW dan Gast, A P. Kimia Fisik Permukaan. AS : John Wiley & Sons, Inc., 1997.
- Blunt, M J. Aliran Multifase di Media Permeabel: Perspektif Pori-Skala. Cambridge, Inggris : Cambridge University Press, 2017.