Sức căng bề mặt là gì? Định nghĩa, tính chất và thí nghiệm

Hiểu sức căng bề mặt trong vật lý

Sức căng bề mặt là hiện tượng bề mặt của chất lỏng, trong đó chất lỏng tiếp xúc với chất khí, hoạt động như một tấm đàn hồi mỏng. Thuật ngữ này thường chỉ được sử dụng khi bề mặt chất lỏng tiếp xúc với khí (như không khí). Nếu bề mặt nằm giữa hai chất lỏng (như nước và dầu), nó được gọi là “sức căng giao diện”.

Nguyên nhân gây căng thẳng bề mặt

Các lực liên phân tử khác nhau , chẳng hạn như lực Van der Waals, kéo các hạt chất lỏng lại với nhau. Dọc theo bề mặt, các hạt được kéo về phía phần còn lại của chất lỏng, như trong hình bên phải. Sức căng bề mặt (ký hiệu là gamma biến Hy Lạp ) được định nghĩa là tỷ lệ của lực bề mặt F với chiều dài d dọc theo đó lực tác dụng: gamma = F / d

Đơn vị sức căng bề mặt

Sức căng bề mặt được đo bằng đơn vị SI là N / m (newton trên mét), mặc dù đơn vị phổ biến hơn là đơn vị css dyn / cm ( dyne trên centimet ). Để xem xét nhiệt động lực học của tình huống, đôi khi rất hữu ích khi xem xét nó về mặt công việc trên một đơn vị diện tích. Đơn vị SI, trong trường hợp đó, là J / m 2 (bình phương trên mét vuông). Đơn vị css là erg / cm 2 .

Các lực này liên kết các hạt bề mặt với nhau. Mặc dù ràng buộc này là yếu – nhưng thật dễ dàng để phá vỡ bề mặt của chất lỏng – nó thực sự biểu hiện theo nhiều cách.

Ví dụ về sức căng bề mặt

Giọt nước. Khi sử dụng ống nhỏ giọt nước, nước không chảy thành dòng liên tục mà thay vào đó là một loạt giọt. Hình dạng của giọt là do sức căng bề mặt của nước. Lý do duy nhất khiến giọt nước không hoàn toàn hình cầu là do lực hấp dẫn kéo xuống nó. Trong trường hợp không có trọng lực, sự sụt giảm sẽ giảm thiểu diện tích bề mặt để giảm thiểu sức căng, dẫn đến hình dạng hình cầu hoàn hảo.

Côn trùng đi trên nước. Một số côn trùng có thể đi bộ trên mặt nước, chẳng hạn như máy kéo nước. Chân của chúng được hình thành để phân phối trọng lượng của chúng, làm cho bề mặt của chất lỏng bị suy nhược, giảm thiểu năng lượng tiềm năng để tạo ra sự cân bằng lực để người đi bộ có thể di chuyển trên bề mặt nước mà không phá vỡ bề mặt. Khái niệm này tương tự với việc mang giày tuyết để đi bộ trên những bông tuyết sâu mà không bị chìm chân.

Kim (hoặc kẹp giấy) nổi trên mặt nước. Mặc dù mật độ của các vật thể này lớn hơn nước, sức căng bề mặt dọc theo vết lõm đủ để chống lại lực hấp dẫn kéo xuống vật kim loại. Nhấp vào hình ảnh bên phải, sau đó nhấp vào “Tiếp theo” để xem sơ đồ lực của tình huống này hoặc tự mình thử mẹo Nổi kim.

Cấu tạo của bong bóng xà phòng

Khi bạn thổi một bong bóng xà phòng, bạn đang tạo ra một bong bóng không khí có áp suất được chứa trong một bề mặt mỏng, đàn hồi của chất lỏng. Hầu hết các chất lỏng không thể duy trì sức căng bề mặt ổn định để tạo ra bong bóng, đó là lý do tại sao xà phòng thường được sử dụng trong quá trình … nó ổn định sức căng bề mặt thông qua một thứ gọi là hiệu ứng Marangoni. Khi bong bóng được thổi, màng bề mặt có xu hướng co lại.

Điều này khiến áp suất bên trong bong bóng tăng lên. Kích thước của bong bóng ổn định ở kích thước mà khí bên trong bong bóng sẽ không còn co lại nữa, ít nhất là không làm nổ bong bóng.

Trên thực tế, có hai giao diện khí-lỏng trên bong bóng xà phòng – một ở bên trong bong bóng và một ở bên ngoài bong bóng. Ở giữa hai bề mặt là một màng chất lỏng mỏng. Hình dạng hình cầu của bong bóng xà phòng là do sự thu nhỏ diện tích bề mặt – đối với một thể tích nhất định, một hình cầu luôn là dạng có diện tích bề mặt nhỏ nhất.

Áp suất bên trong bong bóng xà phòng

Để xem xét áp suất bên trong bong bóng xà phòng, chúng tôi xem xét bán kính R của bong bóng và sức căng bề mặt, gamma của chất lỏng (xà phòng trong trường hợp này – khoảng 25 dyn / cm). Chúng ta bắt đầu bằng cách giả sử không có áp lực bên ngoài (tất nhiên, điều đó không đúng, nhưng chúng tôi sẽ xử lý vấn đề đó một chút). Sau đó, bạn xem xét một mặt cắt ngang qua trung tâm của bong bóng.

Cùng mặt cắt ngang này, bỏ qua sự khác biệt rất nhỏ trong bán kính bên trong và bên ngoài, chúng ta biết chu vi sẽ là 2 pi R . Mỗi bề mặt bên trong và bên ngoài sẽ có một áp lực gamma dọc theo toàn bộ chiều dài, do đó, tổng số. Do đó, tổng lực từ sức căng bề mặt (từ cả màng trong và ngoài) là 2 gamma (2 pi R ).

Tuy nhiên, bên trong bong bóng, chúng ta có một áp suất p tác động lên toàn bộ mặt cắt ngang pi R 2 , dẫn đến tổng lực p ( pi R 2 ). Vì bong bóng ổn định, tổng của các lực này phải bằng 0 nên chúng ta nhận được: 2 gamma (2 pi R ) = p ( pi R 2) hoặc là p = 4 gamma / R

Rõ ràng, đây là một phân tích đơn giản hóa trong đó áp suất bên ngoài bong bóng bằng 0, nhưng điều này dễ dàng được mở rộng để có được sự khác biệt giữa áp suất bên trong p và áp suất bên ngoài p e : p – p e = 4 gamma / R

Áp lực trong một giọt chất lỏng

Phân tích một giọt chất lỏng, trái ngược với bong bóng xà phòng , đơn giản hơn. Thay vì hai bề mặt, chỉ có bề mặt bên ngoài để xem xét, do đó, hệ số 2 giảm khỏi phương trình trước đó (hãy nhớ nơi chúng ta nhân đôi sức căng bề mặt để chiếm hai bề mặt?) Để mang lại: p – p e = 2 gamma / R

Góc tiếp xúc

Sức căng bề mặt xảy ra trong giao diện chất lỏng khí, nhưng nếu giao diện đó tiếp xúc với bề mặt rắn – chẳng hạn như thành của thùng chứa – giao diện thường cong lên hoặc xuống gần bề mặt đó. Hình dạng bề mặt lõm hoặc lồi như vậy được gọi là sụn

Góc tiếp xúc, theta , được xác định như thể hiện trong hình bên phải.

Góc tiếp xúc có thể được sử dụng để xác định mối quan hệ giữa sức căng bề mặt chất lỏng-rắn và sức căng bề mặt chất lỏng-khí, như sau: gamma ls = – gamma lg cos theta

Trong đó:

  • gamma ls là sức căng bề mặt rắn-lỏng
  • gamma lg là sức căng bề mặt chất lỏng-khí
  • theta là góc tiếp xúc

Một điều cần xem xét trong phương trình này là trong trường hợp sụn khớp lồi (tức là góc tiếp xúc lớn hơn 90 độ), thành phần cosin của phương trình này sẽ âm, có nghĩa là sức căng bề mặt rắn-lỏng sẽ dương.

Nếu, mặt khác, khum là lõm (tức dips xuống, do đó góc tiếp xúc là dưới 90 độ), sau đó các cos theta hạn là tích cực, trong trường hợp mối quan hệ sẽ dẫn đến tiêu cực sức căng bề mặt chất lỏng-rắn !

Về cơ bản, điều này có nghĩa là chất lỏng đang bám vào thành bình chứa và đang hoạt động để tối đa hóa diện tích tiếp xúc với bề mặt rắn, để giảm thiểu năng lượng tiềm năng tổng thể.

Tính chất mao dẫn

Một hiệu ứng khác liên quan đến nước trong các ống thẳng đứng là tính chất của mao dẫn, trong đó bề mặt chất lỏng trở nên cao hoặc bị lõm trong ống liên quan đến chất lỏng xung quanh. Điều này cũng liên quan đến góc tiếp xúc được quan sát.

Nếu bạn có một chất lỏng trong một thùng chứa và đặt một ống hẹp (hoặc mao quản ) có bán kính r vào thùng chứa, sự dịch chuyển dọc y sẽ diễn ra trong mao quản được đưa ra theo phương trình sau: y = (2 gamma lg cos theta ) / ( dgr )

Trong đó:

  • y là chuyển vị dọc (tăng nếu dương, giảm nếu âm)
  • gamma lg là sức căng bề mặt chất lỏng-khí
  • theta là góc tiếp xúc
  • d là mật độ của chất lỏng
  • g là gia tốc trọng trường
  • r là bán kính của mao quản

LƯU Ý: Một lần nữa, nếu theta lớn hơn 90 độ (một sụn lồi), dẫn đến sức căng bề mặt chất lỏng-rắn âm, mức chất lỏng sẽ giảm xuống so với mức độ xung quanh, trái ngược với mức tăng so với nó.

Mao dẫn biểu hiện theo nhiều cách trong thế giới hàng ngày. Khăn giấy thấm qua mao quản. Khi đốt một ngọn nến, sáp nóng chảy nổi lên bấc do mao dẫn. Trong sinh học, mặc dù máu được bơm khắp cơ thể, nhưng chính quá trình này phân phối máu trong các mạch máu nhỏ nhất được gọi là mao mạch một cách thích hợp.

Giá trị sức căng bề mặt thí nghiệm

Chất lỏng tiếp xúc không khíNhiệt độ (C)Sức căng bề mặt (mN/m, hoặc dyn/cm)
Benzene2028.9
Carbon tetrachloride2026.8
Ethanol2022.3
Glycerin2063.1
Thuỷ ngân20465.0
Dầu oliu2032.0
Xà bông2025.0
Nước075.6
Nước2072.8
Nước6066.2
Nước10058.9
Oxygen-19315.7
Neon-2475.15
Helium-2690.12

Domin Võ

Dành ra 12 tiếng/ngày cho công việc tẻ nhạt ở công tỷ, chỉ khi viết bài cho Mingeek, anh ấy mới thật sự là chính mình. Anh muốn cho mọi người thấy rằng, khoa học không nhàm chán như trong SGK đâu!

Related Articles

Back to top button