được hút từ chỗ lõm đến chỗ lồi qua lớp đất (quá trình vận chuyển khí theo mũi tên hình trên). Nhờ có luồng khí qua mặt lớp đất như thế, nên đất được trao đổi không khí làm tăng lượng oxy và giạm lượng khí cácbônic trong đất.
hình cầu. Ví dụ ta thả các giọt dầu vào trong một dung dịch cồn có cùng tỷ trọng, trọng lượng của giọt dầu cân bằng với
lực đẩy Archimedes nên giọt dầu lơ lửng trong cồn và giọt dầu có dạng hình cầu.
Theo hình học, trong các vật có cùng thể tích thì khối cầu lá vật có diện tích
mặt ngoài nhỏ nhất. Ví dụ với V = 1cm3, diện tích mặt ngoài của hình hộp vuông là 6cm2 còn của hình cầu chỉ có 4,8cm2. Như vậy do tác dụng của áp suất phân tử, chất lỏng tự do có xu thế giảm diện tích mặt ngoài đến nhỏ nhất. Ta nói bề mặt chất lỏng tự do có xu hướng co lại.
Nếu chất lỏng tiếp xúc với các vật khác và có tương tác với chúng thì xu thế giảm diện tích mặt ngoài đó sẽ dẫn tới trạng thái căng bề mặt chất lỏng. Ta hãy xét màng xà phòng hình thành trong
một khung bằng dây kim loại. Thả nhẹ một vòng chỉ có hình dạng bất kỳ lên trên màng xà phòng. Khẽ làm thủng màng ở phái trong vòng chỉ
thì vòng chỉ sẽ căng tròn. Diện tích vòng tròn là lớn nhất còn diện tích của màng xà phòng co lại đến nhỏ nhất. Ta có thể nói vòng chỉ cùng với khung dây kim loại bao bên ngoài, làm căng màng xà phòng.
Khéo léo thả nhẹ một kim khâu nhỏ lên mặt nước trong một cốc nước. Ta thấy mặt nước đỡ không để kim bị chìm. Đó cũng là một ví dụ minh họa trạng thái căng của bề mặt chất lỏng. Mặt nước có xu thế co lại và đỡ được cái kim. Ta cũng có thể nói: thành cốc kéo căng mặt nước và đỡ được cái kim. Cũng nhờ sức căng bề mặt của nước mà côn trùng có thể đậu trên mặt nước (bằng cách đổ một lớp váng dầu hỏa chẳng hạn) thì côn trùng sẽ bị chìm ngay.
2.3.2 Năng lượng bề mặt và lực căng mặt ngoài.
Trạng thái căng của bề mặt chất lỏng có thể xác định một cách định lượng qua năng lượng bề mặt E hoặc qua lực căng bề mặt f.
Thế năng WtA của phân tử A trên bề mặt chất lỏng bằng tổng các thế năng giữa A và các phân tử bao
quanh; cũng tương tự phân tử B ở trong lòng chất lỏng có thế năng WtB. Rõ ràng là WtA WtB vì số phân tử chất lỏng bao quanh A ít
hơn so với B; nhưng các thế năng đó có trị số âm nên WtA > WtB. Như vậy thế năng của phân tử giảm khi phân tử đi từ bề mặt chất lỏng vào trong lòng chất lỏng. Do xu thế chuyển đến thế năng nhỏ nhất nên có thể nói phân tử A bị hút vào trong lòng chất lỏng.
Năng lượng mặt ngoài E bằng tổng của các hiệu số thế năng phân tử trên bề mặt so với thế năng phân tử ở trong lòng chất lỏng.
(WtA WtB)
E= −
Rõ ràng là E tỷ lệ với số lượng phân tử tên bề mặt tức là tỷ lệ với diện tích của bề mặt chất lỏng. Ta viết:
E=S [2-18]
α gọi là hệ số sức căng mặt ngoài, nó phản ánh tính chất của bề mặt và phụ thuộc vào hiệu số(WtA−WtB). Đơn vị của α là J/m2 hay N/m.
E có tính chất của thế năng nên có xu hướng giảm đến cực tiểu. α không thể âm vì như vậy sự giảm E sẽ dẫn tới sự tăng S, tăng diện tích mặt ngoài chất lỏng, điều này trái với thực thế. α phải là dương và như vậy xu hướng giảm E thể hiện thành xu thế giảm diện tích mặt ngoài chất lỏng như đã nói.
Trong điều kiện đẳng nhiệt, công do thay đổi S bằng độ giảm của năng lượng mặt ngoài E (vì thế năng E còn gọi là năng lượng tự do).
Gọi F là lực xu hướng giảm diện tích bề mặt gây ra; F do đó tác dụng vuôn góc lên chu vi bề mặt chất lỏng, hướng vào trong lòng chất lỏng. Gọi F’ là lực mà vật tiếp xúc với chất lỏng theo hướng làm căng bề mặt chất lỏng. Theo định luật III của Niutơn, F’ có trị số bằng F và có chiều ngược lại với F. Lực F’ gọi là lực căng bề mặt chất lỏng.
Công của lực F khi một đoạn chu vi chiều dài l dịch chuyển đi một đoạn dx, ở đó ta chỉ xét một bên của màng chất lỏng) sẽ là Fdx công này bằng độ giảm của E. Vậy: Fdx= -dE. Ta suy ra:
F dE d( S) dS
dx dx dx
= − = − = −
Nhưng dS =ldx nên: F = −l [2-19]
Dấu trừ chứng tỏ F hướng vào trong lòng chất lỏng và có xu thế làm giảm diện tích bề mặt chất lỏng.
2.3.3 Hệ số sức căng mặt ngoài
Hệ số sức căng mặt ngoài α phụ thuộc bản chất của chất lỏng và chất tiếp xúc với nó. Sau đây là vài số liệu tính ở 20°C và chất tiếp xúc là hơi bão hòa tương ứng.
Chất Nước Ete
etylic Benzen Thủy
ngân Rượu
N
m
0,073 0,017 0,029 0,480 0,022
Hệ số căng bề mặt thay đổi theo nhiệt độ. Nói chung khi nhiệt độ tăng thì α giảm, vì khi đó thể tích chất lỏng tăng, khoảng cách giữa các phân tử tăng và lực phân tử giảm, năng lượng bề mặt giảm.
Đến nhiệt độ tới hạn α = 0, chất lỏng không còn tính chất giảm diện tích mặt ngoài, pha lỏng không còn tính chất bị giữ trong một thể tích không đổi, ta không thể phân biệt pha lỏng với pha hơi nữa.
Nhiều chất hòa tan vào chất lỏng làm giảm α của chất lỏng, ví dụ dung dịch nước xà phòng, dung dịch rượu có α nhỏ hơn nước nguyên chất. Một số chất khác lại làm tăng α, ví dụ dung dịch nước muối, nước đường có α lớn hơn nước nguyên chất.
2.3.4 Hiện tượng hấp phụ và các màng mỏng.
Sự giảm năng lượng bề mặt còn có thể thực hiện bằng cách giảm hệ số sức căng mặt ngoài α, khiến cho tính chất vật lý của bề mặt cũng bị thay đổi. Thí dụ, ta xét một dung dịch nước xà phòng; phân tử xà phòng (hoặc chất tẩy giặt khác) có dạng một chuỗi nguyên tử khá dài với một đầu trung hòa điện, một đầu mang điện. Khi tan trong nước, các phân tử xà phòng nổi lên trên mặt nước, hợp thành một lớp đơn phân tử, đầu mang điện (ưa nước) chui trong nước, còn đầu trung hòa (ghét nước) chĩa ra ngoài. Lớp đơn phân tử trên mặt nước gồm các phân tử xà phòng làm hệ số sức căng mặt ngoài của dung dịch nước xà phòng chỉ còn là αd < α, đồng thời tính chất vật lý của lớp bề mặt bị thay đổi. Thí dụ vừa phân tích có nhiều nét điển hình cho một loạt các hiện tượng bề mặt có tên chung là sự hấp phụ.
Hấp phụ là hiện tượng tích tụ những phân tử ngoại lai trên mặt ngoài của các vật thể lỏng hay rắn. Các vật thể này gọi là các vật hấp phụ. Các vật hấp phụ thường là các vật xốp có diện tích bề mặt rất lớn đối với mỗi đơn vị khối lượng vật đó.
Chất ngoại lai bị hấp phụ có thể lấy từ vật thể khí, lỏng hoặc từ các chất hòa tan.
Tính chất rất quan trọng của sự hấp phụ là làm giảm năng lượng bề mặt bằng cách giảm hệ số sức căng mặt ngoài của vật hấp thụ.
Các phân tử bị hấp thụ làm giảm năng lượng bề mặt của vật hấp phụ do chúng tương tác với nhau yếu hơn tương tác giữa các phân tử vật hấp phụ với nhau.
Ngoài ra giữa các phân tử của chất bị hấp phụ và các phân tử của chất hấp phụ cũng có những kiểu lực liên kết khác nhau. Vì thế sự hấp phụ có tính chất lọc lựa: một vật hấp phụ chất này mạnh nhưng hấp phụ chất khác kém hơn. Đó là cơ sở của những áp dụng của sự hấp phụ: sắc ký, hút khử khí vv …
Sự hấp phụ dẫn tới một trạng thái kết tập đặc biệt của chất bị hấp phụ: trạng thái tồn tại hai chiều của các chất; khác với trạng thái thông thường có các phân tử phân bố trong không gian ba chiều, ở các lớp đơn phân tử, sự phân bố chỉ có trên các mặt, tức là chỉ có hai chiều.
Các màng mỏng ở trạng thái hai chiều lại được phân biệt thành các màng thể khí, thể lỏng hay thể rắn. Ở một màng thể khí các phân tử của lớp đơn phân tử ở khá xa nhau, thưa thớt nên chúng tương tác với nhau yếu ớt và các phân tử có thể dời chỗ tự do, ở một màng thể lỏng các phân tử tuy đã sát liền nhau nhưng vẫn giữ khả năng dời chỗ, còn ở một màng thể rắn thì sự liên kết đã khá vững chắc nên các phân tử không dời chỗ được nữa. Sự phân bố phân tử trong không gian hai chiều của một màng thể rắn có thể có trật tự (kết tinh) hay không có trật tự (vô định hình).
Sự thay đổi trạng thái của màng hai chiều cũng có những diễn biến gần giống các biến đổi pha thông thường. Người ta xét đại lượng = − d là độ biến thiên hệ số sức căng mặt ngoài.
Có thể nói màng mỏng là một hình thức tổ chức hay gặp ở các vật thể sống. Các màng sinh học thường do các phân tử li-pit và prô-tít kết hợp với nhau, trên đó có hấp phụ các phân tử có nhiệm vụ khác nhau tạo ra những cấu trúc với những chức năng sinh học nhất định.
2.4 HIỆN TƯỢNG MAO DẪN