Пяна

Пяната е вещество, образувано от улавянето на джобчета (мехурчета) с газ в течност или твърдо тяло.^[1]^[2]^[3] Примери за пяна са гъбата за баня и горната част на халба, пълна с бира. При повечето видове пяна обемът на газа е по-голям, като тънки течни или твърди слоеве отделят областите с газ.

Твърдата пяна може да е със затворени или отворени клетки. При пяната със затворени клетки газът се образува в обособени джобове, всеки от които е напълно ограден от твърд материал. При пяната с отворени клетки газовите джобове са свързани един с друг. Пример за такава пяна е гъбата за баня, при която водата лесно преминава през цялото тяло, измествайки въздуха. Шалтето е пример за пяна със затворени клетки – газовите джобове за запечатани и отделени един от друг, така че то не може да се напои с вода.

Пяната е вид дисперсна среда. По принцип, има наличен газ, така че тя е разделена на газови мехурчета с различен размер, които са отделени чрез течни региони, които могат да образуват тънки слоеве, които изтъняват с изтичането на течната фаза от системата.^[4] Когато мащабът е малък, например при много фина пяна, дисперсната среда може да бъде счетена за вид колоид.

Под пяна може да се разбира и нещо, което е аналогично на пяна, като например полиуретан, полистирен и други.

Структура редактиране

Подредени и неподредени мехурчета в повърхностна пяна.

В много случаи пяната е многомащабна система. Единият мащаб е този на самото мехурче: материалната пяна обикновено е неподредена и има различни размери на мехурчетата. При по-големи размери изследването на идеализираната пяна е тясно свързана с математическите проблеми на минималната повърхност и триизмерната теселация. В по-малък мащаб от мехурчето е дебелината на слоя при метастабилната пяна, която може да бъде сметната за мрежа от взаимосвързани слоеве. В идеалния случай, слоевете образуват тройни връзки и излизат на 120° навън от точките на свързване. В дори по-малък мащаб е интерфейсът течност-въздух при повърхността на слоя. През повечето време този интерфейс е стабилизиран от слой амфифилна структура, често съставен от повърхностно активни вещества или по-сложни съединения.

Образуване редактиране

Няколко условия са нужни за образуването на пяна: нужна е механична работа, повърхностно активни вещества, които намаляват повърхностното напрежение, като допълнително е нужно образуването на пяна да е по-бързо от разпадането ѝ. За да се създаде пяна е нужна работа (W) за увеличаването на площта на повърхността (ΔA):

W=\gamma \Delta A\,\!

където γ е повърхностното напрежение.

Издигащо се мехурче от отвор.

Алуминиева твърда пяна.

Един от начините, по които пяната се образува, е чрез дисперсия, при която голямо количество газ се смесва с течност. По-научен метод за дисперсия включва инжектирането на газ през дупка в твърда стена към течност. Ако този процес се осъществи много бавно, тогава през отвора може да се изпуска по едно мехурче, както е показано на илюстрацията встрани.

Една от теориите за определяне на време за отделяне е представена по-долу. Обаче, докато тази теория предоставя теоретични данни, които съвпадат с данните от опитите, отделянето вследствие на капилярност е прието като по-добро обяснение.

Силата на плаваемостта спомага за издигането на мехурче:

F_{b}=Vg(\rho _{2}-\rho _{1})\!

където $V$ е обемът на мехурчето, $g$ е гравитационното ускорение, ρ₁ е плътността на газа, а ρ₂ е плътността на течността. Силата противодействаща на плаваемостта е тази повърхностното напрежение:

F_{s}=2r\pi \gamma \!

,

където γ е повърхностното напрежение, а $r$ е радиусът на отвора. Докато повече въздух се подава към мехурчето, силата на плаваемост нараства по-бързо от силата на повърхностното напрежение. Отделянето възниква, когато силата на плаваемост е достатъчно голяма, за да преодолее силата на повърхностно напрежение.

Vg(\rho _{2}-\rho _{1})>2r\pi \gamma \!

Освен това, ако мехурчето се разглежда като сфера с радиус $R$ , а обемът $V$ се замести в уравнението по-горе, отделянето настъпва, когато

R^{3}={\frac {3r\gamma }{2g(\rho _{2}-\rho _{1})}}\!

Изследването на този феномен от гледна точка на капилярността за мехурче, което се образува много бавно, може да се счете, че налягането $p$ в него е константа навсякъде. Хидростатичното налягане в течността се обозначава чрез $p_{0}$ . Промяната в налягането по интерфейса между газа и течността е равно на капилярното налягане. Оттук,

p-p_{0}=\gamma \left({\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}\right)\!

където R₁ и R₂ са радиусите на кривина и са положителни числа. В основата на мехурчето R₃ и R₄ са радиусите на кривината, които също са положителни числа. Тук хидростатичното налягане в течността зависи и от z, разстоянието от върха до основата на мехурчето. Новото хидростатично налягане в основата на мехурчето е p₀(ρ₁ − ρ₂)z. Това налягане балансира капилярното налягане, което се извежда чрез:

p-p_{0}-(\rho _{2}-\rho _{1})gz=\gamma \left({\frac {1}{R_{3}}}+{\frac {1}{R_{4}}}\right)\!

Накрая, разликата между горното и долното налягане се равняват на промяната в хидростатичното налягане:

(\rho _{2}-\rho _{1})gz=\gamma \left({\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}-{\frac {1}{R_{3}}}-{\frac {1}{R_{4}}}\right)\!

В основата на мехурчето, неговата форма е почти цилиндрична. Впоследствие, или R₃, или R₄ е голямо, докато другият радиус на кривината е малък. Докато основата на мехурчето расте по дължина, тя става все по-нестабилна, тъй като единият радиус расте, а другият се смлява. В определена точка, вертикалната дължина на основата надхвърля обиколката ѝ и поради силите на плаваемост мехурчето се отделя, а процесът се повтаря.^[5]

Стабилизация редактиране

Ефектът на Марангони върху слой.

Стабилизацията на пяната се поддържа от силите на Ван дер Ваалс между молекулите на пяната, двойните електрически слоеве, създавани от диполярните повърхно стноактиви, и ефекта на Марангони, който играе ролята на възстановяваща сила по тънките стени. Ефектът на Марангони зависи от примесите в течността, образуваща пяната. Обикновено, повърхностно активните вещества в разтвора намаляват повърхностното напрежение. Те също се струпват заедно на повърхността и образуват слой.

За да настъпи ефекта на Марангони, пяната трябва да е вдлъбната, както е показано на първата картинка. Тази вдлъбнатина покачва локалната площ на повърхността. повърхностно активните вещества имат по-голямо време на дифузия, отколкото основната маса от разтвора, така че те са в по-малка концентрация при вдлъбнатината.

Също така разтягането на повърхността прави повърхностното напрежение във вдлъбнатината по-голямо от околната повърхност. Впоследствие, тъй като време за дифузия на повърхностно активните вещества е голямо, ефектът на Марангони има време да настъпи. Разликата в повърхностното напрежение създава градиент, който подбужда течността да тече от области с малко повърхностно налягане към такива с по-голямо повърхностно налягане. Втората картинка показва слоя в равновесие, след като е настъпил ефекта на Марангони.^[6]

Разработено е уравнение за изчисляване на скоростта на появяване на мехурчета в пяна с условието, че мехурчетата са сферични с радиус $r$ :

u={\frac {2gr^{2}}{9\eta _{2}}}(\rho _{2}-\rho _{1})\left({\frac {3\eta _{1}+3\eta _{2}}{3\eta _{1}+2\eta _{2}}}\right)\!

където скоростта е в единица cm/s. ρ₁ и ρ₂ е плътността съответно на газа и течността в g/cm³, а ῃ₁ и ῃ₂ е вискозитетът на газа и течността в g/cm·s, докато g е ускорението в cm/s².

Приложение редактиране

Киргизки пожарникар използва пяна от водно оръдие при гасене.

В ред случаи за практическата употреба на пяната са важни такива свойства като нейните вискозитет, топлопроводимост, електропроводимост, оптически свойства и други. Пяната намира широко приложение в много промишлени отрасли и в бита:

В бита: синтетичните миещи вещества използват пяна за почистване на вани, килими и мебели;
В пожарогасенето: при възпламеняване на резервоари със запалими течности, при наличието на пожар в затворено помещение (сутерени, кораби и самолети);
В строителството: покривни, хидро- и термо-изолационни основи, звукоизолация на стени;
В рудодобивната промишленост: използване на пяна за флотация при обогатяването на полезните изкопаеми, изработване на изолационни диги в мините, предотвратяване на замръзването на добивните полигони на открити мини при изключително студени условия;
За украса на текстилни материали;
В кулинарията: пяна за напитки, сладкиши, мусове, торти, бисквити и други;
В сферата на забавлението: дискотеки, концерти и други.

Пяната с твърди тънки стени се използват широко за изготвянето на топло- и звукоизолиращи материали, спасителни средства, опаковки и други.

Галерия редактиране

Пяна на капучино
Бирена пяна
Морска пяна
Детска игра с пяна
Комбинацията от диетична кока-кола с ментови бонбони предизвиква „гейзер“ от пяна
Алуминиева пяна

Източници редактиране

↑ Foam | Definition of Foam by Merriam-Webster
↑ D. Weaire, S. Hutzler, „The Physics of Foams“, Oxford University Press, 1999, ISBN 0-19-851097-7, ISBN 978-0-19-851097-0
↑ I. Cantat, S. Cohen-Addad, F. Elias, F. Graner, R. Höhler, O. Pitois, F. Rouyer, A. Saint-Jalmes, „Foams: structure and dynamics“, Oxford University Press, ed. S.J. Cox, 2013, ISBN 978-0-19-966289-0
↑ Lucassen, J. Anionic Surfactants – Physical Chemistry of Surfactant Action. NY, USA, Marcel Dekker, 1981.
↑ Bikerman, J.J. „Formation and Structure“ in Foams New York, Springer-Verlag, 1973. ch 2. sec 24 – 25
↑ Jan. 2009. „IHC News – The Foam“ [Online]. Available: IHC News. The Clariant Newsletter on Industrial & Home Care. // януари 2009. Архивиран от оригинала на 2013-12-12. Посетен на 9 декември 2013.

[1] Foam | Definition of Foam by Merriam-Webster

[2] D. Weaire, S. Hutzler, „The Physics of Foams“, Oxford University Press, 1999, ISBN 0-19-851097-7, ISBN 978-0-19-851097-0

[3] I. Cantat, S. Cohen-Addad, F. Elias, F. Graner, R. Höhler, O. Pitois, F. Rouyer, A. Saint-Jalmes, „Foams: structure and dynamics“, Oxford University Press, ed. S.J. Cox, 2013, ISBN 978-0-19-966289-0

[4] Lucassen, J. Anionic Surfactants – Physical Chemistry of Surfactant Action. NY, USA, Marcel Dekker, 1981.

[autogenerated1-5] Bikerman, J.J. „Formation and Structure“ in Foams New York, Springer-Verlag, 1973. ch 2. sec 24 – 25

[6] Jan. 2009. „IHC News – The Foam“ [Online]. Available: IHC News. The Clariant Newsletter on Industrial & Home Care. // януари 2009. Архивиран от оригинала на 2013-12-12. Посетен на 9 декември 2013.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]