Áp suất bề mặt

Sức căng bề mặt (còn được gọi là năng lượng bề mặt hay ứng suất bề mặt, thường ký hiệu là σ hoặc γ hoặc T) có thể hiểu đơn giản là đại lượng đánh giá độ co giãn hoặc độ bền của mặt tiếp xúc giữa hai pha. Đặc tính đàn hồi của bề mặt tiếp xúc giữa hai pha được hình thành dựa trên lực hút phân tử trong mỗi pha và giữa các phân tử của hai pha tiếp xúc.

Chẳng hạn, tại bề mặt tiếp xúc giữa nước (pha lỏng) và không khí (pha khí), sức căng bề mặt của giọt nước trong không khí là do lực hút giữa các phân tử nước mạnh hơn nhiều so với lực hút giữa chúng với các phân tử khí và lực hút giữa các phân tử khí với nhau. Do đó, giọt nước trong không khí có xu hướng thu gọn lại để giảm diện tích bề mặt tối thiểu. Nếu lực trọng trường nhỏ hơn, các lực xung quanh giọt nước sẽ cân bằng và nó sẽ có hình dạng cầu.

Hiện tượng dính ướt và không dính ướt:

Hiện tượng dính ướt xuất hiện khi ba pha tiếp xúc với nhau: hai pha lỏng (hoặc một pha lỏng và một pha khí) trên bề mặt của pha rắn. Ví dụ, khi giọt nước tiếp xúc với bề mặt rắn ưa nước, do lực hút giữa các phân tử nước và bề mặt rắn mạnh hơn nhiều so với lực hút giữa các phân tử nước, giọt nước sẽ lan rộng để tăng diện tích tiếp xúc giữa nước và pha rắn. Bề mặt rắn càng ưa nước, diện tích nước trải ra càng lớn, ví dụ như hiện tượng này có thể thấy trên các chảo chống dính. Ngược lại, nếu giọt nước nằm trên bề mặt rắn không ưa nước, nó sẽ co lại để giảm diện tích tiếp xúc giữa nước và bề mặt rắn, hiện tượng này dễ thấy trên giọt sương sáng sớm, như trên lá sen và lá khoai.

Hiện tượng mao dẫn:

Khi đặt ống mao quản (làm từ vật liệu ưa nước) vào nước, chúng ta tạo ra hệ ba pha gồm: nước (pha lỏng), thành ống mao quản (pha rắn) và không khí (pha khí). Tại bề mặt tiếp xúc giữa nước và thành ống mao quản, nước có xu hướng dâng lên và trải ra để tăng diện tích tiếp xúc giữa hai pha. Trong khi đó, tại mặt tiếp xúc giữa nước và không khí, lực hút giữa các phân tử nước mạnh hơn so với lực hút giữa nước và không khí, làm nước co lại để giảm diện tích tiếp xúc. Mao quản có đường kính nhỏ, vật liệu thành ống ưa nước, áp suất khí thấp và lực trọng trường yếu sẽ làm mực nước dâng cao hơn. Trong cốc nước có đường kính lớn, mực nước gần thành cốc vẫn cao hơn, mặc dù khó thấy bằng mắt thường.

Sức căng bề mặt và hiện tượng mao dẫn giúp giải thích nhiều hiện tượng như sự vận chuyển nước từ rễ lên lá, lý do nhện nước có thể đi trên mặt nước, sự cân bằng của nhũ tương, cũng như tác dụng làm sạch của xà phòng và hoạt tính của chất hoạt động bề mặt.

Khái niệm

Sức căng bề mặt giữa hai pha là công cơ học cần thiết để thay đổi diện tích bề mặt liên tiếp của chúng. Đây cũng chính là mật độ năng lượng bề mặt, do đó đại lượng vật lý này còn được gọi là năng lượng bề mặt. Trong hệ đo lường quốc tế, đơn vị đo sức căng bề mặt là Jun trên mét vuông.

Sức căng bề mặt giữa hai pha phụ thuộc vào đặc tính của các phân tử trong mỗi pha và các yếu tố môi trường như nhiệt độ, áp suất, và các điều kiện khác.

Phương pháp đo lường

Các phương pháp đo sức căng bề mặt bao gồm:

• Vòng Du Noüy
• Tấm Wilhelmy
• Phương pháp giọt xoay tròn
• Phương pháp giọt pêđan
• Phương pháp áp suất bọt
• Phương pháp thể tích giọt

• Hiện tượng mao dẫn
• Độ nhớt

Tài liệu tham khảo

• Sức căng bề mặt từ Từ điển bách khoa Việt Nam
• Surface tension (physics) trên Encyclopædia Britannica (tiếng Anh)
• Theory of surface tension measurements Lưu trữ ngày 27 tháng 01 năm 2009 tại Wayback Machine