Sức căng bề mặt

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia

Sức căng bề mặt giúp nhện nước đi lại trên mặt nước. Trong hình là hai con nhện nước đang giao phối trên mặt nước.

Trong vật lý học, sức căng bề mặt (còn gọi là năng lượng bề mặt hay ứng suất bề mặt, thường viết tắt là σ hay γ hay T) là mật độ dài lực xuất hiện ở bề mặt giữa chất lỏng và các chất khí, chất lỏng hay chất rắn khác; có bản chất là chênh lệch lực hút phân tử khiến các phân tử ở bề mặt của chất lỏng thể hiện đặc tính của một màng chất dẻo đang chịu lực kéo căng.

Các phân tử trong chất lỏng luôn chịu ảnh hưởng của các lực phân tử từ các phân tử xung quanh. Với các phân tử nằm ở giữa chất lỏng, chúng được bao quanh một cách đối xứng bởi các phân tử chất lỏng cùng loại khác, nên lực tổng cộng được cân bằng thành 0. Ở bề mặt, một bên các phân tử bị các phân tử cùng loại tương tác với lực khác bên kia do các phân tử khác loại. Lực tổng cộng có thể kéo phân tử bề mặt vào bên trong chất lỏng, như trường hợp bề mặt giọt nước trong không khí, hay đẩy nó ra phía ngược lại, như trường hợp giọt nước bám vào thành ống mao dẫn.

Đây là hiệu ứng làm cho giọt nước trong không khí có hình cầu, hỗ trợ thực vật vận chuyển nước từ rễ lên đến lá thông qua hệ mạch dẫn phloem bằng hiện tượng mao dẫn, giúp nhện nước bò trên mặt nước, giải thích trạng thái cân bằng của nhũ tương (từ nước từ đến phế nang trong phổi) cũng như tác dụng tẩy rửa của xà phòng nói riêng hay hoạt tính nói chung của chất hoạt hóa bề mặt, ...

[sửa] Định nghĩa

Sức căng bề mặt được định nghĩa là lực căng trên một đơn vị chiều dài cắt ngang bề mặt. Trong hệ đo lường quốc tế, sức căng bề mặt được đo bằng Newton trên mét (N·m^-1).

Cũng có thể định nghĩa sức căng bề mặt là công cơ học thực hiện khi lực căng làm cho diện tích bề mặt thay đổi một đơn vị đo diện tích. Như vậy nó cũng là mật độ diện tích của năng lượng; ý nghĩa này mang lại tên gọi năng lượng bề mặt cho đại lượng vật lý này. Như vậy, trong hệ đo lường quốc tế, đơn vị đo sức căng bề mặt tương đương Jul trên mét vuông.

Nhiều khi sức căng bề mặt của một chất lỏng được xác định tại một điều kiện nhất định (nhiệt độ, áp suất, ...) khi bề mặt tiếp xúc với chân không. Sức căng bề mặt của chất lỏng thay đổi theo nhiệt độ; đối với nhiều chất lỏng, sức căng bề mặt giảm khi nhiệt độ tăng. Khi bề mặt là tiếp giáp giữa hai chất lỏng khác nhau, sức căng bề mặt tổng cộng bằng hiệu (cộng véctơ) của sức căng bề mặt từng chất lỏng.

[sửa] Giọt nước trong không khí

Khi bề mặt của chất lỏng biến dạng, thế năng bề mặt thay đổi đúng bằng công cơ học của sức căng bề mặt. Khi hai giọt nước trong không khí nhập thành một, diện tích bề mặt và do đó thế năng bề mặt giảm; theo định luật bảo toàn năng lượng thế năng này có thể được chuyển hóa thành dạng năng lượng khác như động năng trong dao động của giọt nước hay nhiệt năng (làm nóng giọt nước lên chút xíu). Muốn làm diện tích bề mặt giọt nước trong không khí tăng, cần thực hiện công cơ học vào giọt nước, và công này được dự trữ trong thế năng bề mặt. Giọt nước ở trạng thái cân bằng bền khi thế năng bề mặt cực tiểu, ứng với diện tích bề mặt cực tiểu của một thể tích cho trước, tức là mặt cầu.

Xu hướng đạt đến cân bằng bền với thế năng bề mặt cực tiểu cũng là xu hướng chung của các hệ vật chất chứa các phần tử là chất lỏng. Nó giải thích tại sao trạng thái nhũ tương, với thế năng bề mặt chưa đạt cực tiểu, không phải là trạng thái nhiệt động lực học bền. Để giữ trạng thái nhũ tương, như ở nước từ hay phế nang của phổi, cần có chất hoạt hóa bề mặt làm thay đổi sức căng bề mặt. Ở phổi trẻ em, nếu hoạt chất tự nhiên của cơ thể không phát huy tác dụng, trẻ em có thể mắc bệnh màng trong.