Hiện tượng mao dẫn

Hiện tượng mao dẫn là hiện tượng mà chất lỏng tự động dâng cao trong các không gian hẹp mà không cần sự hỗ trợ của ngoại lực (như trọng lực). Hiện tượng này có thể được quan sát thấy trong các ống nhỏ, khe hẹp giữa hai tấm kính, nhựa, hoặc giữa các sợi của bàn chải,... Nguyên nhân là do sự kết hợp giữa lực dính ướt (lực khiến dung dịch bám vào bề mặt) và sức căng bề mặt. Khi lực dính ướt vượt qua sức căng bề mặt, dung dịch sẽ được kéo lên trên. Ví dụ, dung dịch có thể hút vào các khe nứt. Nếu sức căng bề mặt lớn hơn lực dính ướt, dung dịch không bám vào bề mặt. Hiện tượng mao dẫn là khi lực dính ướt vượt trội hơn sức căng bề mặt, kéo dung dịch lên các ống dẫn.

Lịch sử

Lần đầu tiên hiện tượng mao dẫn được Leonardo da Vinci quan sát. Niccolò Aggiunti, một học trò của Galileo, cũng được cho là đã nghiên cứu hiện tượng này. Năm 1660, nhà hóa học người Ireland Robert Boyle coi hiện tượng mao dẫn là một phát hiện mới lạ và báo cáo rằng khi một ống được nhúng vào nước, 'nước trong ống sẽ dâng cao'. Boyle cũng thực hiện một thí nghiệm với ống mao dẫn nhúng vào rượu vang đỏ, sau đó đưa vào chân không. Ông nhận thấy chân không không làm thay đổi đáng kể chiều cao của chất lỏng trong ống, chứng tỏ hiện tượng mao dẫn không phải do áp suất khí quyển điều chỉnh.

Các nhà nghiên cứu khác cũng nhanh chóng tiếp cận hiện tượng này. Một số người, như Honoré Fabri và Jacob Bernoulli, cho rằng chất lỏng trong các ống mao dẫn dâng lên vì không khí không thể xâm nhập vào các mao mạch một cách dễ dàng như chất lỏng, dẫn đến áp suất không khí trong ống thấp hơn. Ngược lại, những người như Isaac Vossius, Giovanni Alfonso Borelli, Louis Carré, Francis Hauksbee, và Josia Weitbrecht tin rằng các phân tử chất lỏng bị hút vào nhau và dính vào thành ống mao dẫn.

Mặc dù các nghiên cứu thực nghiệm về hiện tượng này tiếp tục diễn ra trong thế kỷ 18, phương pháp định lượng chính xác cho mao dẫn chỉ được thiết lập vào năm 1805 bởi hai nhà khoa học: Thomas Young từ Vương quốc Anh và Pierre-Simon Laplace từ Pháp. Họ đã phát triển phương trình Young - Laplace để mô tả hành động mao dẫn. Đến năm 1830, nhà toán học người Đức Carl Friedrich Gauss đã xác định các điều kiện biên điều chỉnh hành động mao dẫn, tức là điều kiện tại giao diện rắn-lỏng. Năm 1871, nhà vật lý người Anh William Thomson, Nam tước thứ nhất Kelvin, đã nghiên cứu ảnh hưởng của chất lỏng đối với áp suất hơi, dẫn đến phương trình Kelvin. Sau đó, nhà vật lý người Đức Franz Ernst Neumann đã nghiên cứu sự tương tác giữa hai chất lỏng không thay đổi.

Bài báo đầu tiên của Albert Einstein, được gửi đến Annalen der Physik vào năm 1900, đã tập trung vào nghiên cứu về mao dẫn.

Ví dụ

Bấc đèn dầu hút dầu từ dưới lên trên nhờ hiện tượng mao dẫn qua các lỗ nhỏ trong bấc đèn; tương tự, khăn giấy thấm nước cũng nhờ vào hiện tượng mao dẫn.

Cây sử dụng hiện tượng mao dẫn để vận chuyển nước từ rễ lên các phần khác qua hệ thống mạch.

Để tìm hiểu hiện tượng mao dẫn, người ta sử dụng ống mao dẫn với tiết diện nhỏ.