Преглед на кода на Пяна

[[Файл:Foam - big.jpg|мини|Мехурчета от [[сапун]]ена пяна.]]

'''Пяната''' е вещество, образувано от улавянето на джобчета (мехурчета) с [[газ]] в [[течност]] или [[твърдо тяло]].<ref>[http://www.merriam-webster.com/dictionary/foam Foam | Definition of Foam by Merriam-Webster]</ref><ref>D. Weaire, S. Hutzler, „The Physics of Foams“, Oxford University Press, 1999, ISBN 0-19-851097-7, ISBN 978-0-19-851097-0</ref><ref>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</ref> 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. [[Шалте]]то 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.<ref>{{cite book |last=Lucassen|first=J. |editor1-first=E. H. |editor1-last=Lucassen-Reijnders |title=Anionic Surfactants – Physical Chemistry of Surfactant Action|year= 1981 |publisher= Marcel Dekker|location= NY, USA}}</ref> 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 ==
[[Файл:Order and Chaos.tif|мини|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 [[случайност|неподредена]] и има различни размери на мехурчетата. При по-големи размери изследването на идеализираната пяна е тясно свързана с математическите проблеми на [[минимална повърхност|минималната повърхност]] и триизмерната [[теселация]]. В по-малък мащаб от мехурчето е дебелината на слоя при [[метастабилно състояние|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 [[Амфифилност|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 [[Повърхностно напрежение|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):

:<math> W = \gamma \Delta A \,\!</math>

където γ е повърхностното напрежение.

[[Файл:Rising Bubble from Orifice.png|мини|Издигащо се мехурче от отвор.]]
[[Файл:Aluminium foam sandwich.jpg|мини|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 [[плаваемост]]та спомага за издигането на мехурче:

:<math> F_b = Vg(\rho_2-\rho_1)\!</math>
където <math>V</math> е обемът на мехурчето, <math>g</math> е гравитационното ускорение, ρ<sub>1</sub> е плътността на газа, а ρ<sub>2</sub> е плътността на течността. Силата противодействаща на плаваемостта е тази [[Повърхностно напрежение|повърхностното напрежение]]:

:<math> F_s = 2r \pi\gamma\!</math>,
където γ е повърхностното напрежение, а <math>r</math> 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.

:<math> Vg(\rho_2-\rho_1)> 2r \pi\gamma\!</math>

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

:<math> R^3=\frac{3r\gamma}{2g(\rho_2-\rho_1)}\!</math>

Изследването на този феномен от гледна точка на капилярността за мехурче, което се образува много бавно, може да се счете, че налягането <math>p</math> в него е константа навсякъде. Хидростатичното налягане в течността се обозначава чрез <math>p_0</math>. Промяната в налягането по интерфейса между газа и течността е равно на капилярното налягане. Оттук,

:<math> p-p_0=\gamma\left (\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}\right)\!</math>

където R<sub>1</sub> и R<sub>2</sub> са радиусите на кривина и са положителни числа. В основата на мехурчето R<sub>3</sub> и R<sub>4</sub> 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 ''p''<sub>0</sub>(''ρ''<sub>1</sub> − ''ρ''<sub>2</sub>)''z''. Това налягане балансира капилярното налягане, което се извежда чрез:

:<math> p-p_0-(\rho_2-\rho_1)gz=\gamma\left (\frac{1}{R_3}+\frac{1}{R_4}\right)\!</math>

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

:<math> (\rho_2-\rho_1)gz=\gamma\left (\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}-\frac{1}{R_3}-\frac{1}{R_4}\right)\!</math>

В основата на мехурчето, неговата форма е почти цилиндрична. Впоследствие, или R<sub>3</sub>, или R<sub>4</sub> 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.<ref name=autogenerated1>Bikerman, J.J. „Formation and Structure“ in ''Foams'' New York, Springer-Verlag, 1973. ch 2. sec 24 – 25</ref>

== Стабилизация ==
[[Файл:Marangoni Effect of a Film.png|мини|Ефектът на Марангони върху слой.]]
[[Файл:Marangoni Effect of a film (2).png|мини|Ефектът на Марангони върху слой.]]

Стабилизацията на пяната се поддържа от [[Сили на Ван дер Ваалс|силите на Ван дер Ваалс]] между молекулите на пяната, [[двоен електрически слой|двойните електрически слоеве]], създавани от [[дипол]]ярните повърхно стноактиви, и [[ефект на Марангони|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.<ref>Jan. 2009. „IHC News – The Foam“ [Online]. Available: {{cite web |url=http://www.clariant.com/C12575E4001FB2B8/vwLookupDownloads/2009_01_IHC_Newsletter_Defoaming.pdf/$FILE/2009_01_IHC_Newsletter_Defoaming.pdf |title=IHC News. The Clariant Newsletter on Industrial & Home Care. |date=януари 2009 |accessdate=9 декември 2013 |архив_дата=2013-12-12 |архив_уеб_адрес=https://web.archive.org/web/20131212090241/http://www.clariant.com/C12575E4001FB2B8/vwLookupDownloads/2009_01_IHC_Newsletter_Defoaming.pdf/$FILE/2009_01_IHC_Newsletter_Defoaming.pdf }}</ref>

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

:<math> 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)\!</math>

където скоростта е в единица cm/s. ρ<sub>1</sub> и ρ<sub>2</sub> е плътността съответно на газа и течността в g/cm<sup>3</sup>, а ῃ<sub>1</sub> и ῃ<sub>2</sub> е [[вискозитет]]ът на газа и течността в g/cm·s, докато g е ускорението в cm/s<sup>2</sup>.

== Приложение ==
[[Файл:A Kyrgyz fire fighter using a water cannon of an AA-60 fire engine.jpg|мини|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]], [[Оптика|оптически свойства]] и други. Пяната намира широко приложение в много промишлени отрасли и в бита:

* В бита: [[Синтетично миещо вещество|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, [[мус]]ове, 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 ==
<gallery>
Cappuccino with foam.jpg|Пяна на [[капучино]]
Pilsner.jpg|[[Бира|Бирена]] пяна
Sea foam on the shore.jpg|Морска пяна
Apar festa 0001.jpg|Детска игра с пяна
Diet Coke Mentos.jpg|Комбинацията от диетична [[кока-кола]] с ментови бонбони предизвиква „гейзер“ от пяна
Aluminium foam.jpg|Алуминиева пяна
</gallery>

== Източници ==
<references/>

[[Категория:Материали]]
[[Категория:Колоидна химия]]