Interactiunea solid-fluid
Când o faza solida este pusa în contact cu o faza fluida, în absenta unor reactii chimice sau a unui proces de dizolvare, suprafata de separatie dintre cele doua faze este chiar suprafata solidului. Daca faza solida se dizolva în faza fluida, se produce un transfer de masa pâna la echilibru, si se creaza o noua suprafata de separatie între faza fluida si solutia saturata de contact. În conditiile transferului nul de substanta sau ale dizolvarii partiale, int 20220e416u eractiunea este numai de natura fizica. Se poate stabili o similitudine între cele doua situatii descrise mai sus si fluidele nemiscibile, respectiv partial miscibile. Exista si o interactiune chimica (reactii chimice), una electrochimica, una fizico-chimica. În cele ce ur-meaza va fi discutata numai interactiunea fizica între un solid si un fluid, ca în cazul fluidelor nemiscibile si partial miscibile.
Fig. 12.1. Lucrul mecanic de adeziune si coeziune, energia de suprafata.
Un solid reprezinta, prin definitie, un element material care este rigid si rezista la solicitari exterioare. Din punct de vedere practic, unele substante, considerate în mod obisnuit solide, pot avea suficienta plasticitate pentru a curge, numai ca viteza de deformare este extrem de mica si nu este observabila. Curgerea este conditionata de aplicarea unei forte exterioare suficient de mari si este legata si de temperatura. Exemplul cel mai comun este sarea gema care "curge" sub actiunea presiunilor din scoarta terestra.
Rigiditatea suprafetei solide este în opozitie cu mobilitatea suprafatei unui lichid sau a interfatei fluid-fluid. Traficului intens de molecule din regiunea suprafatei lichidului îi corespunde o miscare cu totul limitata a atomilor solidului, cu exceptia vibratiei în jurul pozitiei de echilibru sau cvasiehilibru. Doar în apropierea temperaturii de topire comportarea solidului si a lichidului din zona superficiala are o anumita corespondenta.
Cu toata diferenta dintre un solid si un lichid, este posibil sa gândim solidul ca posesor al unei tensiuni superficiale si a unei energii libere de suprafata. Invocând aceata similitudine, vor fi definite, mai departe, principalele marimi care caracterizeaza suprafata solidelor.
Lucrul mecanic de adeziune reprezinta variatia energiei libere sau lucrul mecanic reversibil, W12, efectuat pentru a separa o suprafata de arie unitara a doua faze în contact, sub vacuum perfect (fig. 12.1,a). Daca separatia se face în acelasi mediu, acesta se numeste lucru mecanic de coeziune, W11 (fig. 12.1,b). Trebuie subliniat faptul ca toate mediile se atrag reciproc sub vacuum, asa încât W11 si W12 sunt totdeauna marimi pozitive. Daca faza 1 este solida iar faza 2 este fluida, W12 se noteaza cu WSL.
Energia de suprafata sau tensiunea superfaciala, s reprezinta modificarea energiei libere la modificarea ariei suprafetei unei faze solide. Procesul de creare a unei unitati de arie de suprafata este echivalenta cu separarea a doua suprafete, fiecare cu aria egala cu o jumatate de unitate (fig 12.1,.c). Astfel, se poate scrie:
(12.1)
Fig. 12.2. Ilustrarea definitiilor referitoare la energia interfaciala.
Pentru solide, energia libera de suprafata sau ternsiunea superfaciala se exprima în J/m2, pe când pentru lichide se exprima în N/m. Cele doua unitati de masura sunt, evident, echivalente. Diferenta de abordare are la baza modul în care cele doua marimi analoage se folosesc în diverse calcule. Asadar, tensiunea superficiala a unui solid este de aceeasi natura, adica determinate de aceleasi forte, ca si tensiunea superficiala a lichidelor (v. cap. 12.1.).
Daca în cazul lichidelor rearanjarea moleculelor din zona suprafetei când aceasta se deformeaza este aproape instantanee (de ordinul milisecundelor), în cazul solidelor viteza de deformare prin rearanjare este foarte lenta, imper-ceptibila la scara de timp umana. Dezechilibrul fortelor intermoleculare se manifesta printr-o stare de tensiune în zona superficiala. Din aceasta cauza, energia libera de suprafata nu se identifica cu tensiunea superficiala.
Pentru un solid anizotrop, daca aria suprafetei este crescuta pe doua directii cu valorile dA1 si dA2, ca în figura 12.3., atunci cresterea totala a energiei libere de suprafata va fi:
(12.2.)
în care Es reprezinta energia libera de suprafata specifica (pentru o arie unitara).
Fig. 12.3. Cresterea ariei unui solid anizotrop.
Daca solidul este izotropic, s s relatia anterioara poate fi scrisa astfel:
(12.3.)
Pentru lichide, ultimul termen din relatia anterioara este nul, iar s se confuna cu Ws.
Efectul tensiunii superficiale a solidelor este acela de reducere a dimensiunii cristalului sau a aranjamentului amorf cu o anumita valoare, pâna la pozitia de echilibru a ionilor, atomilor sau moleculelor.
Determinarea tensiunii superficiale a solidelor se poate face prin calcul sau prin estimari experimentale [90]. Calculele care folosesc relatia (12.3.) sunt dificile si aplicabile în conditii foarte restrictive. Mai comoda este folosirea ecuatiei lui Young (relatia 13.2. din cap. 13.).
Ca orice metoda indirecta, aceasta sufera de anumite impreciziuni, deter-minate mai ales de faptul ca suprafata solida prezinta neregularitati care maresc aria si, implicit, energia libera de suprafata. Polizarea suprafetei , care ar elimina aceste neregularitati, genereaza un alt tip de eroare, data de rearanjarea ato-milor prin deformari microscopice care reprezinta nimic altceva decât modificarea energiei libere de suprafata.
Din fericire, valorile tensiunii superficiale ale solidelor si a tensiunii interfaciale solid - fluid, spre deosebire de tensiunea interfaciala fluid - fluid, nu au aplicabilitate larga în ingineria zacamintelor de hidrocarburi.
Întrebari si probleme
|
