【演習問題】表面張力とは?原理と計算方法

表面張力とは?原理と計算方法【リチウムイオン電池パックの接着】

 

当サイトのメインテーマであるリチウムイオン電池において、組電池(電池パック)を作製する際に接着によりパックを組み立てる場合があります。

 

そして、接着関連の用語として表面張力があり、こちらのページでは表面張力に関する以下の内容を解説しています。

 

・表面張力とは?表面自由エネルギーとは?

 

・表面張力、ぬれ性の関係は?ヤングの式、Zismanプロットとは?

 

というテーマで解説しています。

 

 

表面張力とは?表面自由エネルギーとは?

表面張力とは難しい言葉で説明しますと、単位面積あたりの表面自由エネルギーのことを指します。

 

簡単に説明しますと、物質には丸くなろうとする現象とも言えます。

 

ここで表面自由エネルギーとは何かを考えていきましょう。

 

表面自由エネルギーと分子間力には大きな関係があり、ある分子に着目した場合物質の内部と表面では下図のように分子間力が働く向きが異なります。

 

内部の分子では周囲の分子から均等に引っ張られるため安定しており、表面の分子は内部の分子から引っ張られる力が強いために引っ張られる向きに偏りが生じ、不安定、つまりエネルギーが高い状態となっています。

 

このエネルギーのことを表面自由エネルギーと呼び、エネルギーが高いほど表面張力が大きくなります。

 

また、内部からの引張により、物体は表面積をできるだけ小さくしようとし、丸まる性質があるのです。

 

数式を用いますと、表面張力の定義式は以下の通りであり(工事中)、単位は主にmJ/m^2を使用する場合が多いです。

 

そして、接着と表面張力、ぬれ性には大きな関係があり、以下で解説しています。

 

 

表面張力、ぬれ性の関係は?ヤングの式、Zismanプロットとは?

 

表面張力とぬれ性の関係を表した式としてヤング(Young)の式と呼ばれる式があります。

 

γ sg = γ sL + γ LG cosθという式です。

 

ここで、γ sg は固体の表面張力、 γ sLは固体と液体の表面張力、γ LGは液体の表面張力となります。

 

このぬれ性は固体の材質、液体の材質で大きく変化します。

 

特に固体表面を完全にぬらす、γ sL = 0 となる際の表面張力のことを臨界表面張力と呼びます。

 

(以下工事中)

 

 

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