Пена

Пена је објекат који се формира заробљавањем гаса у течној или чврстој материји. Сунђер за купање и вршни слој у чаши пива су примери пена. Запремина гаса је у већини пена велика, са танким слојевима течности или чврсте материје који раздвајају делове гаса. Сапунске пене су такође познате као сапунице.

Мехурићи сапунске пене

Чврсте пене могу да имају затворене или отворене ћелије. У пени са затвореним ћелијама, гас формира дискретне џепове, сваки у потпуности окружен чврстим материјалом. У пени са отвореним ћелијама, отвори са гасом су међусобно повезани. Сунђер за купање је пример пене са отвореним ћелијама: вода лако тече кроз целокупну структуру, замењујући ваздух. Простирка за камповање је пример пене са затвореним ћелијама: отвори са гасом су одвојени једни од других тако да простирка не може да упија воду.

Пене су примери оф распршених медија. Генерално је присутан гас, тако да се пена дели на мехуриће гаса различитих величина (тј. материјал је полидисперзан) - раздвојен течним регионима који могу формирати филмове Они су све тањи и тањи када течна фаза исцури из система филма. Када је главна скала мала, тј. за врло фину пену, овај дисперговани медијум се може сматрати типом колоида.

Пена се такође може односити на нешто што је аналогно пени, као што су квантна пена, полиуретанска пена (пенаста гума), XПС пена, полистирен, фенолна или многе друге вештачке пене.

Структура

Пена је у многим случајевима систем с више размера.

Уређени и неуређени мехурићи у површинској пени

Једна скала је мехурић: материјали пене су обично неуређени и имају различите величине мехурића. У већим димензијама проучавање идеализоване пене уско је повезано са математичким проблемима минималних површина и тродимензионалним теселацијама, које се такође називају саће́. Структура Веир-Фелана сматра се најбољом могућом (оптималном) јединичном ћелијом савршено уређене пене, док Платови закони описују како сапунски филмови формирају структуре у пени.

На нижој скали од мехурића је дебљина филма за метастабилне пене, која се може сматрати мрежом међусобно повезаних филмова званих ламеле. У идеалном случају, ламеле се спајају у тријаде и зраче на 120° према споља од тачака спајања, познатих као Платове границе.

Још нижа скала је интерфејс течности и ваздуха на површини филма. Током већег дела времена ово сучеље је стабилизовано слојем амфифилне структуре, често начињене од површински активних материја, честица (Пикерингова емулзија) или сложенијих асоцијација.

Формирање

За производњу пене потребно је неколико услова: мора постојати механички рад, површински активне компоненте (сурфактанти) које смањују површинску напетост и стварање пене брже од распадања. Да би се створила пена, рад (W) је потребан за повећање површине (ΔA):

$W=\gamma \Delta A\,\!$

где је γ површински напон.

Један од начина стварања пене је помоћу дисперзија, где се велика количина гаса помеша са течношћу. Специфичнија дисперзијска метода обухвата убризгавање гаса кроз отвор у чврстој материји у течност. Ако се овај процес изврши врло споро, тада се из отвора може емитовати једа по један мехур, као што је приказано на слици. Једна од теорија за одређивање времена раздвајања приказана је испод. Мада ова теорија производи теоретске податке који се подударају са експерименталним подацима, одвајање услед капиларности прихваћено је као боље објашњење.

Подизање мехурића из отвора

Сила потиска делује тако да се мехур подиже, што је

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

где је $V$ запремина мехура, $g$ је убрзање услед гравитације, и ρ₁ је густина гаса, док је ρ₂ густина течности. Сила која делује насупрот потиска је сила површинског напона, која је

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

где је γ површински напон, и $r$ је радијус отвора. Како се више ваздуха уноси у мехур, сила узгона расте брже од силе површинске напетости. Дакле, одвајање настаје када је сила узгона довољно велика да превлада силу површинског напона.

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

Осим тога, ако се мехур третира као сфера са пречником $R$ и запремина $V$ се замени у горњу једначину, до сепарације долази у моменту кад

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

Испитујући овај феномен са гледишта капиларности за мехур који се формира веома споро, може се претпоставити да је притисак $p$ свуда константан. Хидростатички притисак у течности означен је са $p_{0}$. Промена притиска преко интерфејса из гаса до течност једнака је капиларном притиску; стога,

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

где су R₁ и R₂ радијуси закривљености и постављени су као позитивни. У основи мехура, R₃ и R₄ су радијуси закривљености који се такође третирају као позитивни. Овде хидростатички притисак у течности мора да узме у обзир z, растојање од врха до основе мехура. Нови хидростатички притисак на основи мехура је p₀(ρ₁ − ρ₂)z. Хидростатички притисак балансира капиларни притисак, који је приказан испод:

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

Коначно, разлика горњег и доњег притиска једнака је промени хидростатичког притиска:

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

У основи мехура, облик мехура је скоро цилиндричан; консеквентно, било R₃ или R₄ је велико док је други пречник закривљености мањи. Како основа мехура расте у дужини, она постаје нестабилнија јер један од пречника расте док се други смањује. У извесној тачки, вертикална дужина основе премаши обим основе и услед сила узгона мехур се одваја и процес се понавља.

Literatura

• Thomas Hipke, Günther Lange, René Poss: Taschenbuch für Aluminiumschäume. Aluminium-Verlag, Düsseldorf 2007, ISBN 978-3-87017-285-5.
• Ханнелоре Диттмар-Илген: Металле лернен сцхwиммен. Ин: Диес.: Wие дер Корк-Крüмел анс Wеинглас коммт. Хирзел, Стуттгарт 2006, ISBN 978-3-7776-1440-3, С. 74.
• Великов, Крассимир П.; Велев, Орлин D. (2014). Цоллоид Стабилитy. стр. 277—306. ИСБН 9783527631193. дои:10.1002/9783527631193.цх35. 
• Дупонт, Ханаé; Маингрет, Валентин; Сцхмитт, Вéрониqуе; Хéрогуез, Валéрие (2021-06-08). „Неw Инсигхтс инто тхе Формулатион анд Полyмеризатион оф Пицкеринг Емулсионс Стабилизед бy Натурал Органиц Партицлес”. Мацромолецулес (на језику: енглески). 54 (11): 4945—4970. Бибцоде:2021МаМол..54.4945Д. ИССН 0024-9297. дои:10.1021/ацс.мацромол.1ц00225. 
• Бинкс, Б. П.; Флетцхер, П. D. I. (2001). „Партицлес Адсорбед ат тхе Оил−Wатер Интерфаце: А Тхеоретицал Цомпарисон бетwеен Спхерес оф Униформ Wеттабилитy анд "Јанус" Партицлес”. Лангмуир. 17 (16): 4708—4710. ИССН 0743-7463. дои:10.1021/ла0103315. 
• Динсморе, А. D. (2002). „Цоллоидосомес: Селецтивелy Пермеабле Цапсулес Цомпосед оф Цоллоидал Партицлес”. Сциенце. 298 (5595): 1006—1009. Бибцоде:2002Сци...298.1006Д. ЦитеСеерX 10.1.1.476.7703 . ИССН 0036-8075. ПМИД 12411700. С2ЦИД 2333453. дои:10.1126/сциенце.1074868. 
• Јорис Салари (12. 5. 2011). „Пицкеринг емулсионс, цоллоидосомес &мицро-енцапсулатион”. Слидесхаре. ЦС1 одржавање: Формат датума (веза)
• Поортинга, Алберт Т. (2008). „Мицроцапсулес фром Селф-Ассемблед Цоллоидал Партицлес Усинг Аqуеоус Пхасе-Сепаратед Полyмер Солутионс”. Лангмуир. 24 (5): 1644—1647. ИССН 0743-7463. ПМИД 18220438. дои:10.1021/ла703441е. 
• Андертон Н, Царлсон ЦС, Матсумото Р, Схимизу РИ, Поортинга АТ, Кудо Н, Постема M (2022). „Он тхе ригидитy оф фоур хундред Пицкеринг-стабилисед мицробубблес”. Јапанесе Јоурнал оф Апплиед Пхyсицс. 61 (СГ): СГ8001. Бибцоде:2022ЈаЈАП..61Г8001А. дои:10.35848/1347-4065/ац4адц. 
• Андертон Н, Царлсон ЦС, Матсумото Р, Схимизу РИ, Поортинга АТ, Кудо Н, Постема M (2022). „Фирст-цyцле осциллатион еxцурсионс оф Пицкеринг-стабилисед мицробубблес субјецтед то а хигх-амплитуде ултрасоунд пулсе”. Цуррент Дирецтионс ин Биомедицал Енгинееринг. 8 (2): 30—32. дои:10.1515/цдбме-2022-1009 . 
• „Бубблес, Бубблес, Еверywхере, Бут Нот а Дроп то Дринк”. Тхе Липид Цхроницлес. 2011-11-11. Архивирано из оригинала 26. 4. 2012. г. Приступљено 1. 8. 2012. ЦС1 одржавање: Формат датума (веза)
• Халлидаy, Давид; Ресницк, Роберт; Кране, Кеннетх С. (2010-04-20). Пхyсицс, Волуме 2 (на језику: енглески). Јохн Wилеy & Сонс. стр. 342. ИСБН 978-0-471-40194-0. Архивирано из оригинала 2022-09-22. г. Приступљено 2021-03-19. 
• Wхите, Харвеy Е. (1948). Модерн Цоллеге Пхyсицс. ван Ностранд. ИСБН 978-0-442-29401-4. 
• Пиерре-Гиллес де Геннес; Франçоисе Броцхард-Wyарт; Давид Qуéрé (2002). Цапилларитy анд Wеттинг Пхеномена—Дропс, Бубблес, Пеарлс, Wавес. Алеx Реисингер. Спрингер. ИСБН 978-0-387-00592-8. 

Спољашње везе

• Andrew M. Kraynik, Douglas A. Reinelt, Frank van Swol Structure of random monodisperse foam
• Aqueous foam technology
• D. L. Weaire, Stefan Hutzler (1999) The Physics of Foams
• Мориартy, Пхилип (2010). „Фоам Пхyсицс”. Сиxтy Сyмболс. Брадy Харан фор тхе Университy оф Ноттингхам.