G S 09/08/2014. Mestrado em Ciência de Materiais Faculdade UnB - Planaltina. Prof. Alex Fabiano C. Campos, Dr. Tensão superficial

Transcrição

1 Mestrado em Ciência de Materiais Faculdade UnB - Planaltina Tensão Superficial e Molhamento Prof. Alex Fabiano C. Campos, Dr Tensão Superficial G S T, p = γ Tensão superficial O aumento da área interfacial eleva a energia livre do sistema. A energia de superfície ou tensão superficial (γ) é o trabalho necessário para se criar uma nova unidade de área do líquido, em condições isotérmica e reversível. dw =γds 1

2 Superfície Interior As moléculas que estão na superfície apresentam maior energia pois são atraídas para o seio do líquido. A tendência é a de diminuir a energia livre do sistema minimizando a área superficial. A forma esférica é aquela com a menor área superficial. 2

3 Tensão Superficial e Temperatura Genericamente, a tensão superficial diminui com a elevação da temperatura Tensão Superficial e Particulação A particulação da matéria mole promove o aumento da área interfacial Qual dos dois sistemas é termodinamicamente mais estável? 3

4 Tensão Superficial e Molhabilidade θ > 90 0 < θ < 90 θ 0 θ θ Molhamento pobre Molhamento bom Molhamento completo θ: ângulo de contato Tensão Superficial (Superfícies Planas) dw = Fdx= γds = γ2ldx γ = F 2l 4

5 Equação de Laplace (Superfícies curvas) água ar Esquema de uma bolha de ar em água, feita com auxílio de um canudo. Neste modelo o líquido está em repouso. r dr p I p 0 A bolha não será colapsada pelo solvente se a pressão no lado côncavo for maior que no lado convexo: Para uma expansão infinitesimal dr, a variação da energia livre do sistema é dada pelo aumento na energia livre de superfície e pelo trabalho realizado contra a diferença de pressão através da superfície da bolha: dg= γ 4 π( r+ dr) 4 πr ( pi po)4πr dr desprezando o termo diferencial de segunda ordem, No equilíbrio, p > p I dg= 8πγ 4π 2 rdr p r dr dg = 0 8πγ = 4π dr O 2 rdr p r dr Equação de Laplace (Superfícies curvas) Então, 2γ p= r Interface esférica ou 1 1 p= γ + r1 r2 r 1 r 2 Raio de curvatura IMPLICA Diferença de pressão na interface 5

6 Capilaridade FORÇAS DE COESÃO (F C ) X FORÇAS DE ADESÃO (F A ) FORMA DA SUPERFÍCIE DE CONTATO ENTRE O LÍQUIDO E O MEIO EXTERIOR F C > F A F C < F A Capilaridade Depressão capilar Ascensão capilar 6

7 Capilaridade 2γcosθ p= r e p= hρg 2γcosθ = hρg r 2γLVcosθ h= ρgr Capilaridade Calcule a ascensão capilar vertical de uma amostra de benzeno líquido (γ=28,9 mn/m; θ=60 ; ρ=0,877 g/cm 3 ) em um tubo com diâmetro interno de 0,2 cm. 7

8 Equação de Young γ SV θ: ângulo de contato θ γ = γ + γ cosθ SV SL LV γ LV γ SL γsv γ cosθ = γ LV SL Se0< θ < 90º γ > γ SV Se θ > 90º γ < γ SV SL SL (bom molhamento) (mau molhamento) Equação de Young 2γcosθ p= r 8

9 Equação de Young Ângulos de contato da água com diversos substratos sólidos A água não apresentará boa molhabilidade em substratos com tensão superficial baixa tais como hidrocarbonetos, em que não há possibilidade de se formarem ligações de hidrogênio ou interações dipolo-dipolo. Aplicação Membrana de Gore-tex O Gore-tex é uma membrana de teflon expandido (polímero plástico muito fino e com muitos microporos, precisamente são milhares de vezes menores que as gotas de água, porém centenas de vezes maiores que o vapor de água). 9

10 Aplicação Membrana de Gore-tex Que pressão deve ser aplicada para forçar a passagem de água líquida em uma membrana de Gore-tex com um diâmetro de poro igual a 0,1µm? (θ água =110 eγ água =73 mn/m) Equação de Kelvin A pressão de vapor de um líquido depende da pressão aplicada na interface vapor-líquido. p= pe 0 V p RT m( l) / De acordo com a equação de Laplace, a curvatura da superfície produz um diferencial de pressão (2γ/r). Substituindo-se esse termo na equação acima, chega-se à equação de Kelvin, que corrige a pressão de vapor do líquido com o raio de sua curvatura: p= pe 0 2 γv / rrt m( l) 10

11 Equação de Kelvin Equação de Kelvin 11

12 Exercícios Propostos Capítulo 2: 1 a 8. Sugestões: Literatura sugerida: 1) Int. J. Miner. Process ) Langmuir 2010, 26(23), Exercício 2: Sugestão dada no próprio texto do exercício. Exercício 3: Perceba que se o líquido apresenta molhamento completo (wettingliquid), o ângulo de contato é igual a zero (θ = 0 ). Exercício 4: Faça o desenho esquemático das gotículas para auxiliar a interpretação. Exercício 5: Utilize os mesmos dados de tensão superficial e ângulo de contato do exercício 1. Exercício 8: Monte o diagrama de forças envolvidas na interação das duas partículas. Muita atenção às unidades em todos os exercícios!!! 12