Bạn đã bao giờ chơi trò bong bóng xà phòng chưa? Bong bóng xà phòng hình tròn. Vui thật. Có thể thổi được. Sau khi bay lên, bong bóng xà phòng sẽ vỡ. Wow, thật vui, một trò chơi tuổi thơ. Tại sao bong bóng xà phòng lại hình tròn?
Hãy thức dậy vào buổi sáng, rồi để ý những chiếc lá xung quanh nhà. Quan sát những giọt sương đọng trên lá. Thật kỳ lạ; những giọt sương có hình tròn. Tại sao lại như vậy?
Sức căng bề mặt xảy ra do bề mặt chất lỏng có xu hướng co lại, khiến bề mặt trông giống như một màng mỏng. Điều này bị ảnh hưởng bởi lực liên kết giữa các phân tử nước. Để hiểu rõ hơn về điều này, hãy xem hình minh họa sau. Chúng ta xem xét chất lỏng trong một vật chứa.
Bên trong chất lỏng, mỗi phân tử chất lỏng được bao quanh bởi các phân tử khác ở mỗi phía; nhưng trên bề mặt chất lỏng, chỉ có các phân tử chất lỏng ở phía dưới. Ở phía trên, không có phân tử chất lỏng nào khác. Bởi vì các phân tử chất lỏng hút nhau, nên tổng lực tác dụng lên phân tử nằm bên trong chất lỏng bằng không. Ngược lại, các phân tử chất lỏng nằm trên bề mặt bị kéo bởi các phân tử chất lỏng ở phía dưới. Kết quả là, trên bề mặt chất lỏng, có một tổng lực hướng xuống dưới. Do lực tổng hợp hướng xuống này, chất lỏng nằm trên bề mặt có xu hướng giảm diện tích bề mặt của nó bằng cách co lại càng nhiều càng tốt.
Điều này khiến lớp chất lỏng trên bề mặt trông như được bao phủ bởi một lớp màng mỏng đàn hồi. Hiện tượng này được gọi là sức căng bề mặt.
Khi kẹp được đặt cẩn thận lên mặt nước, các phân tử nước nằm trên bề mặt sẽ bị lực hấp dẫn của kẹp ép nhẹ, nhờ đó các phân tử nước nằm bên dưới sẽ tạo ra lực phục hồi để nâng đỡ kẹp.
Trên thực tế, không chỉ có kẹp giấy hay kẹp ghim, mà còn cả những vật dụng khác như kim khâu. Nếu ta cẩn thận đặt kim khâu phía trên mặt nước, kim khâu sẽ nổi. Sức căng bề mặt của chất lỏng cũng là lý do tại sao côn trùng có thể nổi trên mặt nước.
Phương trình sức căng bề mặt
Trong phần thảo luận trước, chúng ta đã nghiên cứu khái niệm sức căng bề mặt một cách định tính (không có phương trình toán học). Bây giờ chúng ta sẽ xem xét lại sức căng bề mặt một cách định lượng. Để giúp chúng ta thiết lập phương trình sức căng bề mặt, chúng ta hãy xem xét một sợi dây được uốn cong thành hình chữ U. Một sợi dây thẳng khác được gắn vào hai đầu của sợi dây hình chữ U, nơi sợi dây thẳng có thể di chuyển được.
Nếu nhúng sợi dây này vào xà phòng, sau khi lấy ra sẽ hình thành một lớp nước xà phòng trên bề mặt dây. Giống như khi bạn chơi bong bóng xà phòng vậy. Vì sợi dây thẳng có thể di chuyển và khối lượng không quá lớn, lớp nước xà phòng sẽ tạo ra lực căng bề mặt tác dụng lên sợi dây thẳng, khiến dây hướng thẳng lên trên. Để giữ cho sợi dây thẳng không di chuyển (dây ở trạng thái cân bằng), cần một lực tổng cộng hướng xuống, trong đó lực tổng cộng là F = w + T. Ở trạng thái cân bằng, F = lực căng bề mặt do lớp xà phòng tạo ra trên sợi dây thẳng.
Giả sử chiều dài của một sợi dây thẳng là l. Vì lớp nước xà phòng tiếp xúc với sợi dây thẳng có hai bề mặt, nên lực căng bề mặt do lớp nước xà phòng tạo ra sẽ tác dụng dọc theo 2l. Sức căng bề mặt trong lớp xà phòng là sự so sánh giữa Lực căng bề mặt (F) và chiều dài bề mặt mà tại đó lực tác dụng (d). Trong trường hợp này, chiều dài bề mặt là 2l. Về mặt toán học, được viết như sau:
Vì sức căng bề mặt là tỷ lệ giữa lực căng bề mặt và chiều dài, nên đơn vị của sức căng bề mặt là Newton trên mét (N/m) hoặc dyne trên centimet (dynes/cm).
Dưới đây là một số giá trị sức căng bề mặt thu được dựa trên các thí nghiệm.
Dựa trên dữ liệu về sức căng bề mặt, nhiệt độ ảnh hưởng đến giá trị sức căng bề mặt của chất lỏng. Nói chung, khi nhiệt độ tăng, giá trị sức căng bề mặt giảm (so sánh sức căng bề mặt của nước ở mỗi nhiệt độ. Xem bảng). Điều này là do khi nhiệt độ tăng, các phân tử chất lỏng chuyển động nhanh hơn nên tác dụng tương tác giữa các phân tử chất lỏng giảm đi. Kết quả là giá trị sức căng bề mặt cũng giảm.
Ứng dụng các khái niệm về sức căng bề mặt trong cuộc sống hàng ngày
Bạn đã bao giờ tự hỏi, tại sao chúng ta phải giặt quần áo bằng xà phòng? Vấn đề là quần áo chúng ta giặt thực sự rất sạch; nước phải thấm qua những khe hở rất nhỏ giữa các sợi vải. Vì lý do này, cần phải tăng diện tích bề mặt tiếp xúc với nước. Tuy nhiên, điều này rất khó thực hiện do sức căng bề mặt. Chắc chắn giá trị sức căng bề mặt phải được giảm xuống trước tiên. Chúng ta có thể giảm sức căng bề mặt bằng cách sử dụng nước nóng. Nhiệt độ nước càng cao càng tốt vì nhiệt độ nước càng cao, sức căng bề mặt càng nhỏ (xem bảng). Đây là phương án đầu tiên và là phương pháp ít được sử dụng. Một lựa chọn khác là sử dụng xà phòng.
Ở nhiệt độ 20 ° C, giá trị sức căng bề mặt của nước xà phòng là 25.00 mN/m. Hãy thử so sánh giữa xà phòng và nước nóng, chất nào có giá trị sức căng bề mặt nhỏ nhất? Ở 100 ° C, giá trị sức căng bề mặt của nước nóng là 58.90 mN/m. Ở nhiệt độ 20 ° C, giá trị sức căng bề mặt của xà phòng là 25.00 mN/m. Sử dụng xà phòng sẽ hiệu quả hơn. Những điều đã giải thích ở trên chỉ là một trong những yếu tố ảnh hưởng.
Tại sao bọt xà phòng hoặc nước lại có hình tròn?
Bong bóng xà phòng hoặc giọt nước có hình tròn là do ảnh hưởng của sức căng bề mặt. Trước tiên, chúng ta sẽ thảo luận về bong bóng xà phòng. Bong bóng xà phòng có hai màng mỏng trên bề mặt và giữa chúng là các lớp nước mỏng.
Sự hiện diện của sức căng bề mặt khiến màng co lại và có xu hướng làm giảm diện tích bề mặt của nó. Khi màng nước xà phòng co lại và cố gắng giảm thiểu diện tích bề mặt, sẽ có sự chênh lệch áp suất không khí bên ngoài màng (áp suất khí quyển) và áp suất không khí bên trong lớp màng. Áp suất không khí bên ngoài lớp màng (áp suất khí quyển) cũng đẩy màng nước xà phòng khi nó co lại vì áp suất không khí bên trong màng nhỏ hơn.
Sau khi màng co lại, không khí bên trong (không khí bị kẹt giữa hai màng) bị nén lại, làm tăng áp suất không khí bên trong lớp cho đến khi không còn co nữa. Nói cách khác, khi không còn co nữa, áp suất không khí giữa hai màng bằng áp suất khí quyển cộng với lực căng bề mặt làm nhăn lớp màng.
Vậy còn những giọt sương hay những giọt nước chảy ra từ vòi thì sao? Cũng tương tự, nguyên nhân chính là sức căng bề mặt. Nếu bong bóng xà phòng có hai màng mỏng trên hai bề mặt, thì giọt nước chỉ có một lớp màng mỏng duy nhất, nằm ở bên ngoài giọt nước. Bên trong chứa đầy nước. Do lực liên kết, sức căng bề mặt xuất hiện. Phần ngoài của giọt nước bị kéo vào trong. Kết quả là, nước co lại và có xu hướng giảm diện tích bề mặt. Áp suất khí quyển bên ngoài cũng kìm hãm các giọt nước. Sự co lại sẽ dừng lại khi áp suất bên trong giọt nước bằng áp suất khí quyển cộng với lực căng bề mặt làm co màng nước.
