Hiểu về sức căng bề mặt
Sức căng bề mặt xảy ra do bề mặt chất lỏng có xu hướng cứng lại, tạo thành một lớp 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. Giả sử chúng ta có một chất lỏng trong một vật chứa.
Các phân tử chất lỏng thường hút nhau. Bên trong chất lỏng, mỗi phân tử chất lỏng được bao quanh bởi các phân tử khác ở mỗi bên; nhưng ở bề mặt chất lỏng, chỉ có các phân tử chất lỏng ở hai bên và phía dưới. Không có phân tử chất lỏng nào khác ở phía trên. Vì các phân tử chất lỏng hút nhau, nên lực tổng hợp tác dụng lên các phân tử bên trong chất lỏng bằng không. Ngược lại, các phân tử chất lỏng ở bề mặt bị hút bởi các phân tử chất lỏng ở hai bên và phía dưới. Kết quả là, có một lực tổng hợp tác dụng xuống dưới tại bề mặt chất lỏng. Do lực tổng hợp hướng xuống này, chất lỏng ở bề mặt có xu hướng giảm diện tích bề mặt, 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.
Khi kẹp được đặt cẩn thận lên mặt nước, các phân tử nước trên bề mặt sẽ bị ép lại một phần. trọng lực kẹp lại, để các phân tử nước nằm bên dưới tạo ra một lực phục hồi hướng lên trên để nâng đỡ kẹp (nhớ lại nhé). độ đàn hồi và định luật Hooke).
Trên thực tế, kẹp giấy không phải là thứ duy nhất bạn có thể sử dụng; chúng cũng có thể là những vật dụng khác như kim. Nếu bạn cẩn thận đặt một chiếc kim lên mặt nước, nó sẽ nổi. Đây cũng là lý do tại sao côn trùng có thể nổi trên mặt nước.
Phương trình sức căng bề mặt
Để giúp chúng ta suy ra phương trình sức căng bề mặt, ta xét một sợi dây được uốn cong thành hình chữ U. Một sợi dây thẳng khác được gắn vào hai đầu của sợi dây chữ U, nơi sợi dây thẳng có thể di chuyển được.
Nếu nhúng sợi dây này vào dung dịch xà phòng, sau khi lấy ra sẽ hình thành một lớp nước xà phòng trên bề mặt dây. Tương tự như khi bạn chơi bong bóng xà phòng. Vì sợi dây thẳng có thể di chuyển và khối lượng của nó không quá lớn, lớp nước xà phòng sẽ tạo ra lực căng bề mặt tác dụng lên sợi dây thẳng, khiến sợi dây chuyển động lên trên (lưu ý hướng của mũi tên). Để giữ cho sợi dây thẳng không di chuyển (dây ở trạng thái cân bằng), cần một lực tổng cộng hướng xuống dưới, với độ lớn của lực tổng cộng là F = w + T. Ở trạng thái cân bằng, F = lực do lớp nước xà phòng tác dụng lên 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 do lớp nước xà phòng tạo ra tác dụng dọc theo chiều dài 2l. Sức căng bề mặt trên lớp xà phòng là tỷ lệ giữa Lực (F) và chiều dài của bề mặt mà lực tác dụng lên (d). Trong trường hợp này, chiều dài của bề mặt là 2l. Về mặt toán học, nó được viết như sau:
Vì sức căng bề mặt là tỷ lệ giữa lực và đơn vị chiều dài, nên đơn vị của nó là Newton trên mét (N/m) hoặc dyne trên centimet (dyn/cm).
Dưới đây là một số giá trị sức căng bề mặt thu được dựa trên các thí nghiệm.
Dựa trên dữ liệu trên, có vẻ như nhiệt độ ảnh hưởng đến sức căng bề mặt của chất lỏng. Nói chung, khi nhiệt độ tăng, giá trị này giảm. Điều này là do khi nhiệt độ tăng, các phân tử chất lỏng chuyển động nhanh hơn, làm giảm sự tương tác giữa các phân tử chất lỏng. Do đó, giá trị sức căng bề mặt cũng giảm.
Ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày
Bạn đã bao giờ tự hỏi tại sao chúng ta giặt quần áo bằng xà phòng chưa? Vấn đề là, để quần áo thực sự sạch, nước phải thấm qua những khe hở rất nhỏ giữa các sợi vải. Điều này đòi hỏi phải tăng diện tích bề mặt tiếp xúc với nước. Điều này rất khó đạt được do sức căng bề mặt. Dù muốn hay không, trước tiên chúng ta phải giảm sức căng bề mặt của nước. 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 thì sức căng bề mặt càng thấp (xem bảng). Đây là phương án đầu tiên và hiếm khi được sử dụng, ngoại trừ những người thích nghịch nước nóng. Một phương án khác là sử dụng xà phòng.
Ở nhiệt độ 20 oC, giá trị sức căng bề mặt của nước xà phòng là 25,00 mN/m. Hãy thử so sánh nước xà phòng và nước nóng, nước nào có giá trị nhỏ nhất? Ở 100 oỞ nhiệt độ 20°C, giá trị sức căng bề mặt của nước nóng là 58,90. oC, sức căng bề mặt của nước xà phòng là 25,00 mN/m. Sử dụng xà phòng có nhiều lợi hơn… nước cũng không nóng. Có những yếu tố khác ảnh hưởng đến khả năng làm sạch quần áo hoặc cơ thể bằng xà phòng. Vì vậy, điều trên chỉ là một yếu tố.
Tại sao bong bóng xà phòng hoặc nước lại có hình tròn?
Bong bóng xà phòng, hay giọt nước, có hình cầu do sức căng bề mặt. Trước tiên, hãy cùng tìm hiểu về bong bóng xà phòng. Bong bóng xà phòng có hai màng mỏng trên bề mặt, với một lớp nước mỏng nằm giữa chúng.
Sức căng bề mặt khiến màng co lại, làm giảm diện tích bề mặt. Khi màng nước xà phòng co lại và cố gắng giảm diện tích bề mặt, sẽ xuất hiện sự chênh lệch áp suất không khí giữa bên ngoài màng (áp suất khí quyển) và bên trong màng. Áp suất không khí bên ngoài màng (áp suất khí quyển) cũng đẩy màng nước xà phòng khi nó co lại, bởi vì áp suất không khí bên trong màng thấp hơn.
Sau khi màng co lại, không khí bên trong (không khí bị kẹt giữa hai màng) cũng bị nén lại, làm tăng áp suất không khí bên trong màng cho đến khi quá trình co lại dừng lại. Nói cách khác, khi quá trình co lại dừng lại, áp suất không khí giữa hai màng bằng áp suất khí quyển cộng với lực căng bề mặt làm co màng.
Vậy còn những giọt sương hay những giọt nước chảy ra từ vòi thì sao? Về cơ bản chúng giống nhau, vì nguyên nhân chính là sức căng bề mặt. Trong khi bong bóng xà phòng có hai màng mỏng trên hai bề mặt, thì giọt nước chỉ có một màng mỏng duy nhất, nằm ở bên ngoài giọt nước. Bên trong chứa đầy nước. Phần bên ngoài của giọt nước bị kéo vào trong. Kết quả là, nước co lại, làm giảm diện tích bề mặt. Áp suất khí quyển bên ngoài cũng góp phần nén giọt nước. Sự co lại dừng lại khi áp suất bên trong giọt nước bằng áp suất khí quyển cộng với lực làm co màng nước.
