a) Năng lượng mặt ngoài
Xét khối chất lỏng có nhiệt độ đồng nhất. Các phân tử lớp mặt ngoài có động năng chuyển động nhiệt giống như các phân tử phía trong nhưng có thế năng lớn hơn, vì khi đưa phân tử từ bên trong lên lớp bề mặt phải tốn công để chống lại lực hút phân tử, công này làm tăng thế năng của nó. Như vậy các phân tử ở lớp mặt ngoài có năng lượng tổng cộng lớn hơn so với các phân tử ở phía trong. Phần năng lượng lớn hơn này gọi là năng lượng mặt ngoài của chất lỏng.
Số phân tử lớp mặt ngoài càng nhiều thì năng lượng mặt ngoài càng lớn. Kí hiệu ∆E và ∆S là năng lượng và diện tích mặt ngoài, ta có :
∆E =α . ∆S
(2)α
là hệ số tỉ lệ phụ thuộc loại chất lỏng gọi là hệ số sức (suất) căngmặt ngoài. Trong hệ SI : [
α] = J/m
2.
Hệ ở trạng thái cân bằng bền khi thế năng cực tiểu. Do đó khối chất lỏng sẽ có hình dạng sao cho diện tích mặt ngoài của nó nhỏ nhất. Trên trái đất, do tác dụng của trọng lực nên chất lỏng choán phần dưới của bình chứa và bề mặt phía trên là mặt thoáng nằm ngang, nhưng nếu không có tác dụng của ngoại lực thì khối chất lỏng sẽ có dạng hình cầu để cho
diện tích mặt ngoài nhỏ nhất. Ví dụ nhỏ một ít giọt dầu vào trong rượu (không hoà tan dầu) có cùng tỉ trọng, trọng lượng các giọt dầu bị triệt tiêu bởi lực đẩy Achimède nên các giọt dầu có dạng hình cầu lơ lửng trong rượu.
b) Sức căng mặt ngoài
Lực căng mặt ngoài có đặc điểm là vuông góc với đường biên giới căng và tiếp tuyến với mặt ngoài chất lỏng. Ta có thể làm thí nghiệm chứng tỏ điều này : lấy một khung bằng vật liệu cứng nhúng vào trong dung dịch xà phòng ta được một màng xà phòng. Trên màng ta thả một vòng bằng chỉ, phía trong và ngoài vòng chỉ đều có màng xà phòng, do cách thả mà vòng có hình dạng bất kỳ, chứng tỏ vòng chịu tác dụng về hai phía trong và ngoài như nhau (H.2a).
H.2a H.2b
Nếu phá vỡ màng xà phòng phía trong vòng chỉ, khi đó chỉ còn lực căng mặt ngoài phía ngoài tác dụng kéo nó thành vòng tròn (H.2b). Điều đó chứng tỏ lực căng mặt ngoài vuông góc với biên giới tiếp và tiếp tuyến với mặt chất lỏng.
Để tính sức căng mặt ngoài ta làm thí nghiệm sau : Lấy một khung cứng hình chữ nhật có cạnh MN dài l, cạnh MN có thể dịch chuyển dễ dàng trên khung (H.3)
l ∆x
M N
Fr
H.3Nhúng khung vào nước xà phòng và lấy ra ta được một màng xà phòng. Để màng không bị co lại, ta phải tác dụng lên MN một lực F bằng sức căng mặt ngoài. Dịch chuyển MN một đoạn ∆x, diện tích mặt ngoài tăng lên một lượng :
∆S = 2l∆x
Có thừa số 2 vì màng có 2 mặt ngoài ở 2 phía. Công thực hiện bởi lực
F
trong dịch chuyển∆x
là :∆A = F. ∆x
Công
∆A
để tăng diện tích mặt ngoài lên∆S
, tức là năng lượng mặt ngoài đã tăng lên một lượng ∆E. Từ (2) ta có :∆E = ∆A = α.∆S
⇒ α.2l∆x = F.∆x
Từ đó :
F = α.2l
(3)2
l
chính là chiều dài của đường chu vi. Nếu màng có một mặt ngoài thì :Truờng hợp tổng quát, sức căng có thể thay đổi dọc theo đường chu vi. Khi đó xét đoạn ∆
l
đủ nhỏ của chu vi và (3’) thành :F = α.∆l
(4)∆F là sức căng tác dụng lên ∆
l
Trong hệ SI :
[α] = N/m
Với một chất lỏng xác định,
α
phụ thuộc nhiệt độ, khi T tăng thìα
giảm do khoảng cách giữa các phân tử tăng lên và lực tương tác giữa các phân tử giảm đi.Nhiều hiện tượng của chất lỏng thường gặp như sự tạo bọt
trong chất lỏng, sự tạo giọt khi chất lỏng chảy qua lỗ nhỏ… là do sức
căng mặt ngoài gây nên.
Nếu trong chất lỏng có bọt khí, nó sẽ nổi lên mặt, tới mặt chất lỏng bọt khí sẽ đội một lớp chất lỏng dạng vòm, nếu bọt khí đủ nhỏ thì nó sẽ không xé rách được lớp mặt ngoài chất lỏng và sẽ ở dạng bọt trên mặt chất lỏng.
Nếu chất lỏng chảy ra từ một ống có lỗ nhỏ thì sẽ không liên tục mà thành giọt đều nhau. Dưới tác dụng của sức căng mặt ngoài và trọng lực, nước chảy ra từ từ thành túi có dạng gần hình cầu, lớn dần thành giọt, khi trọng lượng giọt chất lỏng bằng lực căng mặt ngoài túi chất lỏng đứt ra tạo thành giọt. Trọng lượng giọt chất lỏng rơi xuống phụ thuộc kích thước lỗ nhỏ và loại chất lỏng. Trường hợp lỗ quá nhỏ và áp suất chất lỏng không đủ lớn giọt chất lỏng sẽ không bị rơi xuống dưới tác dụng của trọng lực, điều này được ứng dụng để làm vải che mưa…
c) Hiện tượng làm ướt và không làm ướt
Xét một khối chất lỏng nằm trên vật rắn trong môi trường khí (H.4) dlαL.K d
l
αL.K Khí Lỏng dl
αr.K θ dlαr.L RắnH.4
Các phân tử chất lỏng nằm trên đoạn dài d
l
của đường giới hạn giữa ba môi trường rắn – lỏng - khí sẽ chịu tác dụng của ba lực :- Lực do các phân tử chất lỏng trên mặt thoáng giữa hai môi trường lỏng- khí tác dụng bằng
dl.α
L.K- Lực do các phân tử chất lỏng nằm trên mặt phân cách hai môi trường rắn lỏng tác dụng bằng
dl.αr.L
- Lực do các phân tử chất rắn trên mặt phân cách giữa hai môi trường rắn - khí tác dụng bằng
dl.αr.K
Với
αL.K, αr.L, αr.K
lần lượt là các hệ số sức căng mặt ngoài trên các mặt giới hạn lỏng - khí, rắn - lỏng, rắn - khí.Điều kiện cân bằng của đoạn
dl
là :dlα
r.K= dlα
r.L+ dlα
L.Kcosθ
(5)Góc θ giữa các tiếp tuyến với mặt chất rắn và mặt chất lỏng ở phía chất lỏng gọi là góc bờ.
K . L L .r K .r
cos
α
α
−
α
=
θ
(6)Góc bờ phải thoả mãn điều kiện :
1
K . L L . r K . r≤
α
α
−
α
(7)Nếu điều kiện (7) không được thỏa mãn sẽ không có sự cân bằng. Khi đó có 2 truờng hợp xảy ra :
+
αr.K > αr.L + αL.K
:θ
dù nhỏ đến đâu vẫn không thỏa mãn điều kiện (7), chất lỏng sẽ loang vô hạn trên mặt vật rắn. Đó là hiện tượng dính ướt toàn phần. Khi đóθ = 0
.+
αr.L > αr.K + αL.K
: mặt giới hạn chất lỏng - rắn thu về một điểm, đó là hiện tượng dính ướt toàn phần. Khi đóθ = π
.Nếu (7) được thỏa mãn thì
0 < θ < π
. Nếuθ < π/2
thì gọi là dính ướt một phần; nếuα > π/2
thì gọi là không dính ướt một phần.Hiện tượng làm ướt và không làm ướt có nhiều ứng dụng trong thực tế. Ví dụ trong kĩ thuật tuyển quặng : quặng tự nhiên thường có nhiều tạp chất; trước khi luyện quặng được nghiền nhỏ và cho vào trong một chất lỏng làm ướt quặng nhưng không làm ướt tạp chất. Phóng một luồng khí vào trong chất lỏng, các tạp chất sẽ bị bọt khí bám vào và kéo chúng nổi lên mặt chất lỏng, còn quặng vì bị làm ướt nên không bị bọt khí bám vào vẫn chìm ở dưới. Nhờ vậy tạp chất được tách ra khỏi quặng.
§3 HIỆN TƯỢNG MAO DẪN
