2.4 HIỆN TƯỢNG MAO DẪN .1 Dạng mặt ngoài chất lỏng
2.4.3 Hiện tượng mao dẫn
Hiện tượng mao dẫn là hiện tượng chất lỏng dâng lên (hay hạ xuống) trong ống có bán kính nhỏ hoặc dâng lên (hay hạ xuống) giữa hai vách phẳng đặt gần nhau.
Nguyên nhân là lực phân tử gây ra trạng thái căng bề mặt chất lỏng đồng thời sự tiếp xúc với thành ống (vách) làm mặt chất lỏng bị cong; trong ống nhỏ (hoặc giữa hai vách sát nhau) mặt cong chiếm toàn bộ bề mặt chất lỏng, từ đó xuất hiện áp suất phụ đáng kể kéo chất lỏng nâng lên hay nén chất lỏng hạ xuống. Bình chứa chất lỏng khá lớn nên bề mặt chất lỏng phía ngoài có thể coi là mặt phẳng.
Chất lỏng dâng lên (hay hạ xuống) cho đến khi áp suất tác dụng vởi cột chất lỏng cân bằng với áp suất phụ. Theo thủy tĩnh học, cột chất lỏng độ cao h gây ra áp suất phụ ρgh (ρ là khối lượng riêng của chất lỏng, g là gia tốc trọng trường). Do đó điều kiện cân bằng cho ta:
gh p
=
vậy h p
g
= [2-22]
Giả sử bề mặt chất lỏng trong ống nhỏ là một chỏm cầu có bán kính R. Gọi góc làm ướt là 𝜃, bán kính của ống là r, ta có r = Rcos 𝜃.
Thay vào [2-20] ta được:
p 2 2 .cos
R r
= =
Do đó từ [2-22] ta được:
h 2 .cos gr
= (Công thức Juy ranh)
Ta thấy độ cao h càng lớn khi bán kính ống càng nhỏ. Ngoài ra h còn phụ thuộc α và ρ. Với 𝜃 < 90°, chất lỏng làm ướt ống, mặt chất lỏng là mặt lõm, đồng thời cos 𝜃 > 0 nên h > 0, chất lỏng dâng lên trong ống; với 𝜃 > 90° chất lỏng không làm ướt ống, mặt chất lỏng là mặt lồi, đồng thời cos 𝜃 < 90° nên h < 0, chất lỏng hạ xuống so với mặt chất lỏng bên ngoài ống.
Đối với trường hợp hai vách sát nhau, cũng tính tương tự, trong đó d là khoảng cách giữa hai vách. Ta được độ cao h là:
2 .cos
h gd
= (Công thức Juyranh) 2.4.4 Giải tích một số hiện tượng thường gặp
2.4.4.1 Hiện tượng tạo thành các giọt chất lỏng Hiện tượng tạo thành các giọt chất lỏng đều nhau trong các ống đếm giọt là do trong ống đếm giọt, chất lỏng sẽ còn dính lại thành giọt ở đầu ống khi lực căng mặt ngoài giọt chất lỏng còn lớn hơn trọng lượng cột chất lỏng trong ống.
Giọt chất lỏng to dần lên đến khi trọng lượng giọt chất lỏng bằng lực căng mặt ngoài thì giọt chất lỏng bắt đầu rơi khỏi ống.
Vì vậy mà với một ống đếm nhất định và một chất lỏng cho trước, ta có sức căng mặt ngoài, theo đó trọng lượng giọt chất lỏng là không đổi. Đó là lý do tại sao người ta lấy giọt thuốc làm đơn vị liều lượng cho người bệnh.
2.4.4.2 Tác dụng của bọt khí trong ống mao dẫn
Xét một ống thủy tinh nằm ngang có một bọt khí bên trong, ta thấy: khi không có tác dụng một lực nào lên chất lỏng, chất lỏng đứng yên, mặt cong của chất lỏng ở hai mặt tiếp xúc giữa chất lỏng và khí là như nhau, R1 = R2 = R và áp suất phụ gây ra ở hai bề mặt cong là bằng nhau Δp1 = Δp2 nhưng ngược chiều.
Bây giờ tác dụng một lực lên chất lỏng, chẳng hạn từ trái sang phải, mặt cong của chất lỏng phía bên trái giảm (tức bán kính cong R1 tăng lên) còn bên phải thì tăng (tức R2 giảm xuống). Vì R2 < R1 nên áp suất phụ Δp2 > Δp1 đã gây nên một lực cản để chống lại ngoại lực. Áp suất cực đại mà bọt khí chịu được khi mặt bên trái là mặt lồi, phía bên phải là mặt lõm có bán kính cong bằng bán kính r của ống mao dẫn.
1 2
2 2 4
p r
r r
p p
= + = + =
Khi trong ống càng nhiều bọt khí hoặc có chỗ phân nhánh thì áp suất cực đại mà các bọt khí này
chịu sẽ càng lớn. Vậy khi ống mao dẫn chứa các chất lỏng có bọt khí thì cần phải
tác dụng một áp suất lớn hơn áp suất cực đại mới làm chất lỏng chuyển dịch được.
Đó là lý do gây ra tai biến trong các trường hợp như khi cơ thể bị giảm áp suất đột ngột hoặc khi đưa thuốc vào cơ thể qua tĩnh mạch đã tạo các bọt khí trong lòng mạch máu, nhất là các mạch máu ở tim, não, v.v… làm cho mạch máu khó lưu thông hoặc thậm chí tắc mạch máu.
Chẳng hạn, khi lặn xuống nước, áp suất tác dụng lên thành ngực tăng dần theo độ sâu. Người ta thấy rằng con người có thể chịu đựng được với độ sâu 90m trong 1 đến 2 giờ. Do dưới áp suất cao các khí thành phần khuếch tán vào máu gia tăng lên.
Tuy nhiên, nếu từ độ sâu đó đột ngột ngoi lên cao, sự giảm độ sâu đột ngột theo đó là áp suất giảm đột ngột nên các thành phần khí nhanh chóng phân ly trở về dạng khí mà chưa kịp thấm ra ngoài để khuếch tán đi nên tạo các bọt khí trong lòng mạch máu, nhất là tại các mạch máu nhỏ (mao mạch) ở tim, não. Dòng chảy bị ngưng trệ, dừng lại gọi là hiện tượng tắt mạch máu do bong hơi. Vì vậy, biện pháp quan trọng là phải giảm áp suất từ từ bằng cách ngoi lên dần dần hoặc phải dùng các trang phục, thiết bị bảo hộ để giảm dần áp suất khí xung quanh cơ thể.