Apskatīt Putas izejas kodu

[[Attēls:Ziepju putu burbuļi.jpg|thumb|[[Ziepju burbulis|Ziepju putu burbuļi]]|290x290px]]
'''Putas''' ir [[dispersā sistēma]], kas rodas, veidojoties [[gāze]]s ieslēgumiem [[Šķidrums|šķidrumā]] vai [[Cieta viela|cietā vielā]]<ref>[[mwod:foam|Foam | Definition of Foam by Merriam-Webster]] [https://web.archive.org/web/20141209213221/http://www.merriam-webster.com/dictionary/foam Archived] 2014-12-09 at the Wayback Machine</ref><ref>D. Weaire, S. Hutzler, "The Physics of Foams", Oxford University Press, 1999, <nowiki>{{ISBN|0198510977}}</nowiki>, {{ISBN|978-0-1985-1097-0}}</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|9780199662890}}</ref>. Piemēram, vannas sūklis un alus glāzes virspusē esošā viela ir klasificējamas kā putas. Vairumā putu gāzes tilpums ir liels un atsevišķos gāzes ieslēgumus atdala plānas šķidruma vai cietas vielas kārtiņas.

Cietās putas tiek iedalītas slēgtas šūnas un vaļējas šūnas putās. Slēgto šūnu putās gāzes ieslēgumus vienu no otra pilnībā atdala cietā viela. Savukārt, vaļējas šūnas putās atsevišķi gāzes ieslēgumi var būt savienoti savā starpā. Sūklis ir piemērs vaļējas šūnas putām: [[ūdens]] spēj tam plūst cauri, izspiežot no ieslēgumiem esošo gāzi. Sarullējamais matracis ir piemērs slēgtas šūnas tipa putām: gāzes ieslēgumi ir nošķirti viens no otra un līdz ar to matracis nespēj uzsūkt ūdeni.

Putas ir [[Dispersā sistēma|dispersās sistēmas]] piemērs. Vispārīgā gadījumā, gāze sadalās dažāda izmēra burbuļos, kurus atdala šķidrums, kas var veidot plānas kārtiņas, kas kļūst arvien plānākas šķidrajai fāzei izplūstot no sistēmas. Ja sistēmas raksturīgie izmēri ir mazi, tas ir, putas ir ļoti smalkas, tad šādu disperso sistēmu var uzskatīt par [[Koloīds|koloīdu]].

Tipiski putās gāzes [[Tilpums|tilpuma]] daļa ''Φ'' (attiecība starp gāzes aizņemto tilpumu un visu putu aizņemto tolpumu) ir robežās no 0.5 līdz 0.97. Ja ''Φ'' lielāks par apmēram 0.75, tad atsevišķie burbuļi viens otru sāk būtiski [[Deformācija|deformēt]]. Tipiskais putu burbuļa izmērs ir no 0.1 līdz 3 mm, tātad mililitrā putu ir apmēram 10<sup>3</sup> burbuļu, kas ir daudz mazāk salīdzinot ar [[Emulsijas|emulsijām]], kurās tipiskā pilienu [[koncentrācija]] ir 10<sup>11</sup> ml<sup>−1</sup>. Burbuļu kopējam laukumam raksturīgas vērtības ap dažiem 100 cm<sup>2</sup> uz mililitru cietās vai šķidrās fāzes<ref name=":2">A. J. Wilson, "Foams: Physics, Chemistry and Structure" ,Springer-Verlag, London, 1989.</ref>.

== Uzbūve ==
[[Attēls:Order and Chaos.tif|thumb|Sakārtota un nesakārtota struktūra uz virsmas esošās putās|224x224px]]
Putas uzskatāmas par vairāku mērogu sistēmu.
Vienā no mērogiem putas raksturojamas ar burbuļu izmēriem: putu materiāli tipiski ir nesakārtotas struktūras un tajos esošie burbuļi var būt dažādu izmēru. Lielākos izmēros, idealizētu putu apraksts ir cieši saistīts ar matemātiskām problēmām, kas meklē minimālos virsmas laukumus un tā saucamās trīs [[Dimensija|dimensiju]] teselācijas. Veira-Felāna struktūras tiek uzskatītas par labākajām iespējamām elementārajām šūnām, ar ko aprakstīt perfekti sakārtotas putas. Plato likumi apraksta kā putās esošās plānās šķidruma kārtiņas veido struktūras.
Par kārtu mazāks mērogs kā burbulis ir metastabilo putu plānās kārtiņas, kas norobežo atsevišķus burbuļus, biezums. Šīs kārtiņas var tikt uzskatītas kā savā starpā savienotu plāno kārtiņu tīkls, ko dēvē par lamellām. Ideālā gadījumā lamellas savienojas pa trim un divas blakus esošas lamellas veido 120 grādu [[Leņķis|leņķi]]<ref name=":0">''Morgan, F. "Existence of Least-perimeter Partitions"(PDF).''</ref>. Lamellu savienošanās vietas dēvē par Plato robežām.

Vēl zemāks sistēmas mērogs saistāms šķidruma — gāzes robežu uz plānās kārtiņas virsmas. Lielāko daļu laika šo robežu stabilizē ampifīliskas struktūras slānis, kas bieži ir veidots no [[Virsmaktīvas vielas|virsmaktīvajām vielām]], daļiņām (Pikeringa emulsijas) vai sarežģītākām asociācijām.

== Veidošanās ==
Vispārīgā gadījumā priekš putu veidošanās ir nepieciešami šādi nosacījumi: ir jāveic mehānisks [[Darbs (fizika)|darbs]], klāt esošām jābūt virsmaktīvajām vielām, kas samazina [[Virsmas spraigums|virsmas spraigumu]] un burbuļiem jāveidojas ātrāk kā tie izzūd.
Praktiski putas var izveidot divos veidos:

# Pārsātinot šķidrumu ar gāzi, vai nu zem liela [[Spiediens|spiediena]] izšķīdinot gāzi un tad samazinot spiedienu (piemēram, gāzētajos dzērienos) vai nu ļaujot gāzei pašai veidoties (piemēram, [[Rūgšana|rūgstot]] mīklai).
# Mehāniskā ceļā — ievadot gāzi vidē caur šauru spraugu<ref name=":2" />. Šis process aprakstīts zemāk.

<br />[[Attēls:Rising Bubble from Orifice.png|thumb|Burbuļa veidošanās gāzei izplūstot no šauras spraugas|228x228px]]Ja gāze šķidrumā tiek ievadīta lēnām, tad iespējams panākt, ka no spraugas var tikt palaisti atsevišķi burbuļi.

[[Arhimēda spēks]] liek burbulim celties augšup:

<math>F_A=Vg(\rho_2-\rho_1 )</math>

kur <math>V</math>ir burbuļa tilpums, <math>g</math>ir [[brīvās krišanas paātrinājums]], <math>\rho_1</math>ir gāzes [[blīvums]] un <math>\rho_2</math>ir šķidruma blīvums. Virsmas spraigums darbojas pretēji Arhimēda spēkam un spiež burbuli pie cietās virsmas ar spēku:

<math>F_s=2r\pi\gamma</math>

kur <math>r</math>ir spraugas [[rādiuss]] un <math>\gamma</math>ir virsmas spraiguma koeficients. Burbulis atdalās no cietās virsmas, kad Arhimēda spēks kļūst pietiekami liels lai pārvarētu virsmas spraiguma spēku:

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

Bez tam, ja burbulis uzskatāms par [[Sfēra|sfēru]] ar rādiusu <math>R</math>, tad iepriekšējā vienādojumā izsakot tilpumu <math>V</math>ar [[lode]]s tilpumu, iegūst vienādojumu, kas raksturo nepieciešamo burbuļa rādiusu, lai tas varētu atrauties no cietās vielas virsmas<ref name=":1">Bikerman, J.J. "Formation and Structure" in ''Foams'' New York, Springer-Verlag, 1973. ch 2. sec 24—25</ref>:

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

<br />
[[Attēls:Putu veidošanās.png|thumb|283x283px|Putu veidošanās no atsevišķiem burbuļiem]]

Līdz ko burbuļi ir radušies, ar tiem notiek šādas izmaiņas:

# Mazākie burbuļi izgaist, bet lielākie burbuļi palielinās, pateicoties gāzes [[difūzija]]i caur šķidro fāzi;
# Burbuļi ceļas augšup un rada putu slāni uz šķidruma virsmas;
# Burbuļi deformē viens otru [[Daudzstūris|daudzstūru]] formā;
# Starp burbuļiem esošais šķidrums notek lejā;
# Starp burbuļiem esošās lamellas pārtrūkst un burbuļi apvienojas<ref name=":2" />.

Sfērisku burbuļu ar rādiusu <math>r</math>celšanās ātrumu putās var aprakstīt šādu vienādojumu:

<math>u=\frac{(2gr^2)}{(9\eta_2)} (\rho_2-\rho_1 )\frac{(3\eta_1+3\eta_2)}{(3\eta_1+2\eta_2 )}</math>

kur celšanās [[ātrums]] <math>u</math>izteikts cm/s. <math>\rho_1</math>un <math>\rho_2
</math>ir attiecīgi gāzes un šķidruma blīvumi izteikti vienībās g/cm<sup>3</sup> un <math>\eta_1</math>un <math>\eta_2</math>ir attiecīgi gāzes un šķidruma [[viskozitāte]]s koeficienti izteikti g/cm∙s un <math>g</math>ir brīvās krišanas paātrinājums izteikts cm/s<sup>2</sup>.

Tā kā šķidruma blīvums un viskozitāte ir daudz lielāki kā gāzei, tad gāzes viskozitātes koeficientu un blīvumu iepriekšējā vienādojumā var atmest un iegūt:

<math>u=\frac{(gr^2)}{(3\eta_2 )} \rho_2</math>

Eksperimentāli novērojumi liecina, ka precīzāk burbuļu celšanos putās apraksta [[vienādojums]]:

<math>u=\frac{(2gr^2)}{(9\eta_2 )} (\rho_2-\rho_1 )</math>

Šo eksperimentālo novērojumu nesakritību ar iepriekš teorētiski iegūto vērtību izsauc [[Marangoni efekts]] un [[kapilārais spiediens]], kas, kā zemāk parādīts, liedz burbuļiem ieņemt precīzi sfērisku formu.


Apskatīsim burbuli, ko veido gāze, kas ieslēgta šķidrumā. Punkts ''A'' apzīmē burbuļa augšpusi un punkts ''B'' — apakšpusi.
[[Attēls:Burbuļa shematisks attēlojums.png|thumb|Shematisks burbuļa attēlojums]]
Burbuļa virspusē spiediens gāzē un spiediens šķidrumā tiek uzskatīti par vienādiem un vienādi ar <math>p_0</math>. Burbuļa apakšdaļā [[hidrostatiskais spiediens]]:

<math>p_{B,1}=p_0+g\rho_1 z</math>

<math>p_{B,2}=p_0+g\rho_2 z</math>

kur <math>\rho_1</math>un <math>\rho_2</math>ir attiecīgi gāzes un šķidruma blīvumi, <math>p_{B,1}</math>un <math>p_{B,2}</math>ir attiecīgi gāzes un šķidruma hidrostatiskie spiedieni punktā ''B''. Hidrostatiskā spiediena starpība burbuļa augšpusē (punktā ''A'') starp gāzi un šķidrumu ir vienāda ar 0, savukārt burbuļa lejasdaļā tā vienāda ar vērtību <math>gz(\rho_2-\rho_1 )</math>. Apzīmējot virsmas liekuma rādiusu punktā ''A'' ar <math>R_A</math>un punktā ''B'' ar <math>R_B</math>, iegūst starpību [[Laplasa spiediens|Laplasa spiedienam]] starp punktiem ''A'' un ''B'':

<math>P_c=2\gamma\Bigl(\frac{1}{R_A} -\frac{1}{R_B}\Bigr) </math>

[[Mehāniskais līdzsvars|Līdzsvara]] apstākļos kapilārā spiediena starpību izlīdzina hidrostatiskā spiediena starpība:

<math>gz(\rho_2-\rho_1 )=2\gamma\Bigl(\frac{1}{R_A} -\frac{1}{R_B}\Bigr)</math>

Tā kā gāzes blīvums ir mazāks kā šķidruma blīvums, tad vienādojuma kreisā daļa vienmēr ir pozitīva, līdz ar to liekuma rādiusam <math>R_B</math> jābūt lielākam par <math>R_A</math>. Tas nozīmē, ka virsmas liekuma rādiuss palielinās no burbuļa augšpuses uz apakšpusi. Tāpēc, esot [[gravitācija]]s spēka ietekmē, burbuļi nevar būt sfēriski. Bez tam, ja palielinās attālums <math>z</math>, tad palielinās rādiusu apgriezto lielumu starpība, līdz ar to lielāki burbuļi no sfēriskas formas atšķiras vairāk<ref name=":1" />.



== Atsauces ==
{{atsauces}}
[[Kategorija:Kondensētas vides fizika]]
[[Kategorija:Materiāli]]