1 Thủy tĩnh học
1.7.2 Sự căng mặt ngoài
Năng lượng mặt ngoài
Một phân tử khi di chuyển từ bên trong khối chất lỏng ra đến mặt ngoài thì thế năng của nó tăng thêm. Một khối chất lỏng bị biến đổi hình dạng thì diện tích mặt ngoài của nó có thể bị biến đổi theo. Nếu diện tích này tăng lên thì phải có thêm những phân tử mới xuất hiện trên bề mặt mà trước đó chúng nằm bên trong khối chất lỏng. Phần thế năng gia tăng của các phân tử tạo thành lớp mặt ngoài so với thế năng của chính các phân tử đó nếu chúng ở trong khối chất lỏng được gọi là năng lượng mặt ngoài. Thực nghiệm cho thấy năng lượng mặt ngoài, ký hiệuWS, tỉ lệ với diện tích lớp mặt ngoài S
WS = ΥS. (1.43)
Hệ số tỉ lệ Υ được gọi là hệ số sức căng mặt ngoài có đơn vị là N/m, phụ thuộc vào bản chất của chất lỏng và môi trường mà chất lỏng đó tiếp xúc. Thực nghiệm còn cho thấy hệ số sức căng mặt ngoài giảm khi nhiệt độ tăng hoặc khi có một lượng nhỏ chất khí lẫn vào khối chất lỏng.
Sức căng mặt ngoài
Hệ số sức căng mặt ngoài có thể định nghĩa nhờ lực. Lúc đó ta gọi nó làsức căng mặt ngoài. Thiết bị mô tả trên hình1.21, gồm một khung kim loại Avà
Hình 1.21: Khung kim loại A và thanh trượtB.
thanh trượt B, dùng để chứng tỏ ảnh hưởng của lực căng mặt ngoài. Nhúng thiết bị vào dung dịch xà phòng, một mành mỏng dung dịch hình thành phủ kín khoung và thanh trượt. Vì lớp mặt ngoài của màng có xu hướng chuyển về bề mặt có diện tích nhỏ nhất nên màng sẽ co lại, kéo thanh trượt vào bên trong. Gọi F là lực tác dụng lên thanh trượt làm nó di chuyển khoảng cách dx, diện tích của bề mặt mới tăng thêm một lượng bằng 2Ldx, hệ số 2 xuất hiện trong công thức là do màng xà phòng có hai mặt. Công của lực F thực hiện chuyển dịch dx là số gia tương ứng của năng lượng mặt ngoài
dWS =F dx.
Từ công thức năng lượng mặt ngoài dWS = 2ΥLdx ta suy ra F = 2ΥL.
Nghĩa là, mỗi mặt của màng xà phòng kéo thanh trượt một lực có độ lớn bằng ΥL, hay với lựcΥtrên một đơn vị dài. Lực do mặt ngoài tác dụng gọi làlực căng mặt ngoài, lực này độc lập với diện tích của bề mặt và được biểu thị bằng vectơ vuông góc với cung đường cong vạch trên mặt ngoài và tiếp xúc với phần mặt ngoài của khối chất lỏng tại điểm xét.