Пяна

Мехурчета от сапунена 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

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

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):

${\displaystyle W=\gamma \Delta A\,\!}$

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:

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

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

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

където γ е повърхностното напрежение, а ${\displaystyle r}$ 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.

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

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

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

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

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

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:

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

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

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

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

Ефектът на Марангони върху слой.

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 ${\displaystyle r}$:

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

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

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

• 
  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

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.
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.