Επιφανειακή Ενέργεια

Η επιφανειακή ενέργεια ορίζεται ως η εργασία που γίνεται ανά μονάδα επιφάνειας μέσω της δύναμης που εφαρμόζεται στην εξωτερική επιφάνεια. Ωστόσο, σε υγρά ή διαλύτες, η επιφανειακή ενέργεια είναι επίσης γνωστή ως ενέργεια ελεύθερη επιφάνειας. Δεδομένου ότι τα υγρά τείνουν να τεντώνονται και να δημιουργούν κάποια ενέργεια ελεύθερης επιφάνειας, η επάνω επιφάνεια θα αποθηκεύσει τη δυναμική ενέργεια. Η διαστατική εξίσωση της επιφανειακής ενέργειας προκύπτει εξισώνοντας τα φυσικά μεγέθη με τον αντίστοιχο τύπο διαστάσεων και έχει ποικίλο αριθμό εφαρμογών.

Οι διαστάσεις και οι έννοιές τους 

Οι διαστάσεις βοηθούν στη δημιουργία αλληλεπίδρασης μεταξύ διαφορετικών φυσικών μεγεθών. Οι διαστάσεις των φυσικών μεγεθών έχουν πολλές εφαρμογές και υποστήριξη για την αναγνώριση των μονάδων και τη μέτρηση. Η διαστατική εξίσωση της επιφάνειας που προκύπτει εξισώνοντας τα φυσικά μεγέθη με τον αντίστοιχο τύπο διαστάσεων τους.

Για παράδειγμα, έστω Α ένα φυσικό μέγεθος που εξαρτάται από τη μάζα (m), το μήκος (l) και το χρόνο (t) ως προς τις δυνάμεις. Έτσι, ο τύπος διαστάσεων αναπαρίσταται ως [MaLbTc].

Με άλλα λόγια, ο τύπος διαστάσεων είναι μια έκφραση φυσικών μεγεθών που αντιπροσωπεύει βασικά μεγέθη. Αντιπροσωπεύεται από τα σύμβολα των φυσικών μεγεθών με τις κατάλληλες δυνάμεις σε αγκύλες, δηλαδή, ( ).

Για παράδειγμα, ο τύπος διαστάσεων για το μήκος είναι [L].

Επιφανειακή ενέργεια

Τα άτομα που παρουσιάζονται στην εξωτερική επιφάνεια έχουν επιφανειακή ενέργεια, η οποία αναφέρεται επίσης ως ελεύθερη επιφανειακή ενέργεια ή ελεύθερη διεπιφανειακή ενέργεια. Ορίζεται επίσης ως η εργασία που γίνεται ανά μονάδα επιφάνειας μέσω της δύναμης που εφαρμόζεται στην εξωτερική επιφάνεια.

Τα υλικά με λιγότερη επιφάνεια έχουν μικρότερη ποσότητα επιφανειακής ενέργειας. Όσο μεγαλύτερη είναι η επιφανειακή ενέργεια, τόσο μεγαλύτερος θα είναι ο δεσμός (μοριακή αλληλεπίδραση) μεταξύ των ατόμων. Η συγκολλητική ιδιότητα των σωματιδίων που υπάρχουν στην επάνω επιφάνεια του υλικού μπορεί να μετρηθεί με τη βοήθεια της επιφανειακής ενέργειας. Ως εκ τούτου, η αντοχή της πρόσφυσης εξαρτάται άμεσα από την επιφανειακή ενέργεια.

Επιφάνειες με υψηλότερο εύρος επιφανειακής ενέργειας είναι το PVC άκαμπτο, ο χαλκός, το νάιλον, ο πολυεστέρας, το ABS, ο κασσίτερος, ο ανοξείδωτος χάλυβας, το πολυανθρακικό, το ακρυλικό, το εποξειδικό χρώμα, ο μόλυβδος, το αλουμίνιο, ο ψευδάργυρος, η πορσελάνη από γυαλί κ.λπ. 

Οι επιφάνειες με χαμηλή επιφανειακή ενέργεια είναι EVA, ακετάλη, πολυστυρένιο, πολυαιθυλένιο, PVA, πολυπροπυλένιο, βαφές με επίστρωση σκόνης κ.λπ. 

Ενέργεια Ελεύθερη Επιφάνεια

Στην περίπτωση των υγρών, τα υγρά έχουν την τάση να τεντώνονται και να δημιουργούν κάποια ελεύθερη επιφανειακή ενέργεια και η επάνω επιφάνεια θα αποθηκεύσει τη δυναμική ενέργεια. Αυτό είναι επίσης γνωστό ως ενέργεια χωρίς επιφάνεια. Τα μόρια στο ανώτερο στρώμα της επιφάνειας τείνουν να φτάσουν στο κάτω στρώμα, το οποίο επηρεάζει την ποσότητα της επιφανειακής ενέργειας, δηλαδή τη μείωση της ενέργειας.

Ο μαθηματικός τύπος για την επιφανειακή ενέργεια, 

Επιφανειακή ενέργεια =Έργο που έγινε/Περιοχή

Η μονάδα S.I. είναι Joules/m2 ή Newton/m2 (N/m).

Διαστατικός τύπος επιφανειακής ενέργειας

Ο τύπος διαστάσεων της επιφανειακής ενέργειας παρέχεται παρακάτω,

M¹L⁰T⁻²

Όπου, η τυπική μονάδα μάζας αντιπροσωπεύεται ως M, το μήκος με L και ο χρόνος με το T.

Παραγωγή του διαστατικού τύπου επιφανειακής ενέργειας

Ο τύπος δίνεται από, 

Επιφανειακή ενέργεια (Ε) =Ενέργεια × Εμβαδόν

Και, Ενέργεια =Δύναμη × μετατόπιση =m × a × μετατόπιση

Ή, μπορεί επίσης να αναπαρασταθεί ως Ενέργεια =M¹×M⁰L1T⁻²×L¹

Επομένως, ο τύπος διαστάσεων της ενέργειας είναι ως,  

M¹L²T⁻²

Ομοίως, ο τύπος διαστάσεων του εμβαδού =M⁰L²T⁰

Βάζοντας τιμές ενέργειας και εμβαδού στον τύπο της επιφανειακής ενέργειας, παίρνουμε, 

Επιφανειακή ενέργεια =Ενέργεια × Εμβαδόν

M¹L²T⁻² =M¹L²T⁻² × M⁰L²T⁰

Έτσι, η επιφανειακή ενέργεια αντιπροσωπεύεται διαστάσεων ως M1L-T-2.

Συμπέρασμα

Ο υπολογισμός του τύπου διαστάσεων διαφόρων φυσικών μεγεθών βοηθά στην κατανόηση διαφορετικών άλλων πτυχών της φυσικής. Η επιφανειακή ενέργεια ορίζεται ως η εργασία που γίνεται ανά μονάδα επιφάνειας μέσω της δύναμης που εφαρμόζεται στην εξωτερική επιφάνεια. Όσο μεγαλύτερη είναι η επιφανειακή ενέργεια, τόσο μεγαλύτερος θα είναι ο δεσμός (μοριακή αλληλεπίδραση) μεταξύ των ατόμων. Η συγκολλητική ιδιότητα των σωματιδίων που υπάρχουν στην επάνω επιφάνεια του υλικού μπορεί να μετρηθεί με τη βοήθεια της επιφανειακής ενέργειας. Ως εκ τούτου, η αντοχή της πρόσφυσης εξαρτάται άμεσα από την επιφανειακή ενέργεια.