Lực tác dụng dọc theo một đường trên bề mặt chất lỏng

Được đo bằng newton trên mét (N/m) hoặc dyne trên centimet (dyn/cm). Nếu bạn tưởng tượng một khung có một cạnh di động tiếp xúc với một màng chất lỏng, sức căng bề mặt là lực kéo lên cạnh đó chia cho chiều dài của nó. Đây là định nghĩa cơ học.

Công thức: γ = F/L trong đó F = lực, L = chiều dài của cạnh

Ví dụ: Nước @ 20°C = 72.8 mN/m có nghĩa là 0.0728 N lực trên mỗi mét cạnh

Năng lượng cần thiết để tạo ra diện tích bề mặt mới

Được đo bằng joule trên mét vuông (J/m²) hoặc erg trên centimet vuông (erg/cm²). Việc tạo ra diện tích bề mặt mới đòi hỏi phải thực hiện công để chống lại các lực giữa các phân tử. Về mặt số học, nó giống hệt với sức căng bề mặt nhưng đại diện cho góc nhìn năng lượng thay vì góc nhìn lực.

Công thức: γ = E/A trong đó E = năng lượng, A = sự gia tăng diện tích bề mặt

Ví dụ: Nước @ 20°C = 72.8 mJ/m² = 72.8 mN/m (cùng một con số, hai cách giải thích)

Các lực giữa các phân tử xác định hành vi của bề mặt

Lực kết dính: lực hút giữa các phân tử giống nhau (lỏng-lỏng). Lực bám dính: lực hút giữa các phân tử khác nhau (lỏng-rắn). Lực kết dính cao → sức căng bề mặt cao → các giọt co lại thành hình cầu. Lực bám dính cao → chất lỏng lan ra (thấm ướt). Sự cân bằng này quyết định góc tiếp xúc và hiện tượng mao dẫn.

Góc tiếp xúc θ: cos θ = (γ_SV - γ_SL) / γ_LV (phương trình Young)

Ví dụ: Nước trên kính có θ thấp (lực bám dính > lực kết dính) → lan ra. Thủy ngân trên kính có θ cao (lực kết dính >> lực bám dính) → co lại thành giọt.

Những thí nghiệm định lượng đầu tiên về sức căng bề mặt

Nhà vật lý người Đức Segner đã nghiên cứu những cây kim nổi và quan sát thấy rằng bề mặt nước hoạt động giống như những màng bị kéo căng. Ông đã tính toán các lực nhưng thiếu lý thuyết phân tử để giải thích hiện tượng này.

Phương trình Young cho góc tiếp xúc

Học giả người Anh Thomas Young đã rút ra mối quan hệ giữa sức căng bề mặt, góc tiếp xúc và sự thấm ướt: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Phương trình cơ bản này vẫn được sử dụng ngày nay trong khoa học vật liệu và vi lỏng.

Phương trình Young-Laplace cho áp suất

Laplace đã rút ra phương trình ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) cho thấy các bề mặt cong có sự chênh lệch áp suất. Điều này giải thích tại sao các bong bóng nhỏ có áp suất bên trong cao hơn các bong bóng lớn—điều quan trọng để hiểu sinh lý học phổi và sự ổn định của nhũ tương.

Lý thuyết phân tử về sức căng bề mặt

Nhà vật lý người Hà Lan van der Waals đã giải thích sức căng bề mặt bằng cách sử dụng các lực giữa các phân tử. Công trình của ông về lực hút phân tử đã mang lại cho ông giải Nobel năm 1910 và đặt nền móng cho việc hiểu về hiện tượng mao dẫn, lực bám dính và điểm tới hạn.

Các lớp đơn phân tử và hóa học bề mặt

Langmuir đã nghiên cứu các màng phân tử trên bề mặt nước, tạo ra lĩnh vực hóa học bề mặt. Công trình của ông về chất hoạt động bề mặt, sự hấp phụ và định hướng phân tử đã mang lại cho ông giải Nobel năm 1932. Các màng Langmuir-Blodgett được đặt theo tên ông.

Sức căng bề mặt quyết định sự thấm ướt, lan truyền và bám dính:

• Công thức sơn: Điều chỉnh γ đến 25-35 mN/m để có độ lan truyền tối ưu trên các bề mặt
• In phun: Mực phải có γ < bề mặt để thấm ướt (thường là 25-40 mN/m)
• Xử lý corona: Tăng năng lượng bề mặt của polymer từ 30 → 50+ mN/m để tăng độ bám dính
• Sơn tĩnh điện: Sức căng bề mặt thấp giúp làm phẳng và phát triển độ bóng
• Lớp phủ chống graffiti: γ thấp (15-20 mN/m) ngăn chặn sự bám dính của sơn
• Kiểm soát chất lượng: Máy đo sức căng bề mặt vòng du Noüy để đảm bảo tính nhất quán giữa các lô

Chất tẩy rửa hoạt động bằng cách giảm sức căng bề mặt:

• Nước tinh khiết: γ = 72.8 mN/m (không thấm tốt vào vải)
• Nước + xà phòng: γ = 25-30 mN/m (thấm vào, làm ướt, loại bỏ dầu)
• Nồng độ Micelle tới hạn (CMC): γ giảm mạnh cho đến khi đạt CMC, sau đó ổn định
• Chất làm ướt: Các chất tẩy rửa công nghiệp giảm γ xuống <30 mN/m
• Nước rửa chén: Được pha chế để có γ ≈ 27-30 mN/m để loại bỏ dầu mỡ
• Bình xịt thuốc trừ sâu: Thêm chất hoạt động bề mặt để giảm γ để bao phủ lá tốt hơn

Sức căng bề mặt phân cách giữa dầu và nước ảnh hưởng đến việc khai thác:

• Sức căng bề mặt phân cách dầu-nước: Thường là 20-50 mN/m
• Thu hồi dầu tăng cường (EOR): Bơm chất hoạt động bề mặt để giảm γ xuống <0.01 mN/m
• γ thấp → các giọt dầu nhũ hóa → chảy qua đá xốp → tăng khả năng thu hồi
• Đặc tính hóa dầu thô: Hàm lượng aromatic ảnh hưởng đến sức căng bề mặt
• Dòng chảy trong đường ống: γ thấp hơn làm giảm sự ổn định của nhũ tương, hỗ trợ quá trình tách
• Phương pháp giọt treo đo γ ở nhiệt độ/áp suất của hồ chứa

Sức căng bề mặt rất quan trọng đối với các quá trình sống:

• Chất hoạt động bề mặt phổi: Giảm γ của phế nang từ 70 xuống 25 mN/m, ngăn ngừa sự xẹp phổi
• Trẻ sinh non: Hội chứng suy hô hấp do không đủ chất hoạt động bề mặt
• Màng tế bào: Lớp kép lipid có γ ≈ 0.1-2 mN/m (rất thấp để linh hoạt)
• Huyết tương: γ ≈ 50-60 mN/m, tăng lên trong các bệnh (tiểu đường, xơ vữa động mạch)
• Màng nước mắt: Cấu trúc đa lớp với lớp lipid làm giảm sự bay hơi
• Hô hấp của côn trùng: Hệ thống khí quản dựa vào sức căng bề mặt để ngăn nước xâm nhập

Nhện nước (Gerridae) tận dụng sức căng bề mặt cao của nước (72.8 mN/m) để chịu được trọng lượng gấp 15 lần trọng lượng cơ thể chúng. Chân của chúng được phủ một lớp lông sáp siêu kỵ nước (góc tiếp xúc >150°). Mỗi chân tạo ra một vết lõm trên bề mặt nước, và sức căng bề mặt cung cấp lực đẩy lên. Nếu bạn thêm xà phòng (giảm γ xuống 30 mN/m), chúng sẽ chìm ngay lập tức!

Sức căng bề mặt có tác dụng giảm thiểu diện tích bề mặt cho một thể tích nhất định. Hình cầu có diện tích bề mặt tối thiểu cho bất kỳ thể tích nào (bất đẳng thức đẳng chu). Bong bóng xà phòng thể hiện điều này một cách tuyệt vời: không khí bên trong đẩy ra ngoài, sức căng bề mặt kéo vào trong, và sự cân bằng tạo ra một hình cầu hoàn hảo. Các bong bóng không phải hình cầu (như bong bóng hình khối trong khung dây) có năng lượng cao hơn và không ổn định.

Phổi của trẻ sơ sinh chứa chất hoạt động bề mặt phổi (phospholipid + protein) giúp giảm sức căng bề mặt của phế nang từ 70 xuống 25 mN/m. Nếu không có nó, các phế nang sẽ xẹp lại trong quá trình thở ra (xẹp phổi). Trẻ sinh non thiếu chất hoạt động bề mặt, gây ra Hội chứng suy hô hấp (RDS). Trước khi có liệu pháp chất hoạt động bề mặt tổng hợp (những năm 1990), RDS là nguyên nhân hàng đầu gây tử vong ở trẻ sơ sinh. Bây giờ, tỷ lệ sống sót vượt quá 95%.

Rót rượu vào ly và quan sát: các giọt nước hình thành ở hai bên, leo lên trên, rồi lại rơi xuống—'nước mắt của rượu vang'. Đây là hiệu ứng Marangoni: cồn bay hơi nhanh hơn nước, tạo ra sự chênh lệch sức căng bề mặt (γ thay đổi theo không gian). Chất lỏng chảy từ vùng có γ thấp đến vùng có γ cao, kéo rượu lên trên. Khi các giọt nước đủ nặng, trọng lực sẽ thắng và chúng rơi xuống. Dòng chảy Marangoni rất quan trọng trong hàn, sơn phủ và nuôi cấy tinh thể.

Các phân tử xà phòng có tính lưỡng cực: đuôi kỵ nước (ghét nước) + đầu ưa nước (thích nước). Trong dung dịch, các đuôi hướng ra khỏi bề mặt nước, phá vỡ liên kết hydro và giảm γ từ 72 xuống 25-30 mN/m. Tại Nồng độ Micelle tới hạn (CMC), các phân tử tạo thành các micelle hình cầu với các đuôi ở bên trong (giữ dầu) và các đầu ở bên ngoài. Đây là lý do tại sao xà phòng loại bỏ dầu mỡ: dầu được hòa tan bên trong các micelle và bị rửa trôi.

Thả một tinh thể long não lên mặt nước và nó sẽ lướt đi trên bề mặt như một chiếc thuyền nhỏ. Long não tan ra một cách không đối xứng, tạo ra sự chênh lệch sức căng bề mặt (γ cao hơn ở phía sau, thấp hơn ở phía trước). Bề mặt kéo tinh thể về phía các vùng có γ cao—một động cơ sức căng bề mặt! Điều này đã được nhà vật lý C.V. Boys chứng minh vào năm 1890. Các nhà hóa học hiện đại sử dụng lực đẩy Marangoni tương tự cho các robot siêu nhỏ và các phương tiện phân phối thuốc.

Đây là một mối quan hệ nhiệt động học cơ bản, không phải là một sự trùng hợp. Về mặt thứ nguyên: [N/m] = (kg·m/s²)/m = kg/s² và [J/m²] = (kg·m²/s²)/m² = kg/s². Chúng có cùng thứ nguyên cơ bản! Về mặt vật lý: việc tạo ra 1 m² bề mặt mới đòi hỏi một công = lực × khoảng cách = (γ N/m) × (1 m) × (1 m) = γ J. Vì vậy, γ được đo bằng lực/chiều dài bằng γ được đo bằng năng lượng/diện tích. Nước @ 20°C: 72.8 mN/m = 72.8 mJ/m² (cùng một con số, hai cách giải thích).

Lực kết dính: lực hút giữa các phân tử giống nhau (nước-nước). Lực bám dính: lực hút giữa các phân tử khác nhau (nước-kính). Lực kết dính cao → sức căng bề mặt cao → các giọt co lại thành hình cầu (thủy ngân trên kính). Lực bám dính cao hơn so với lực kết dính → chất lỏng lan ra (nước trên kính sạch). Sự cân bằng này quyết định góc tiếp xúc θ thông qua phương trình Young: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Hiện tượng thấm ướt xảy ra khi θ < 90°; hiện tượng co giọt xảy ra khi θ > 90°. Các bề mặt siêu kỵ nước (lá sen) có θ > 150°.

Các phân tử xà phòng có tính lưỡng cực: đuôi kỵ nước + đầu ưa nước. Tại bề mặt phân cách nước-không khí, các đuôi hướng ra ngoài (tránh nước), các đầu hướng vào trong (bị hút bởi nước). Điều này phá vỡ liên kết hydro giữa các phân tử nước trên bề mặt, làm giảm sức căng bề mặt từ 72.8 xuống 25-30 mN/m. γ thấp hơn cho phép nước thấm ướt vải và thấm vào dầu mỡ. Tại Nồng độ Micelle tới hạn (CMC, thường là 0.1-1%), các phân tử tạo thành các micelle hòa tan dầu.

Nhiệt độ cao hơn cung cấp cho các phân tử nhiều động năng hơn, làm suy yếu các lực hút giữa các phân tử (liên kết hydro, lực van der Waals). Các phân tử trên bề mặt có lực kéo ròng hướng vào trong yếu hơn → sức căng bề mặt thấp hơn. Đối với nước: γ giảm khoảng 0.15 mN/m mỗi °C. Tại nhiệt độ tới hạn (374°C đối với nước, 647 K), sự khác biệt giữa chất lỏng và chất khí biến mất và γ → 0. Quy tắc Eötvös định lượng điều này: γ·V^(2/3) = k(T_c - T) trong đó V = thể tích mol, T_c = nhiệt độ tới hạn.

Bốn phương pháp chính: (1) Vòng du Noüy: Một vòng bạch kim được kéo ra khỏi bề mặt, lực được đo (phổ biến nhất, ±0.1 mN/m). (2) Tấm Wilhelmy: Một tấm mỏng được treo chạm vào bề mặt, lực được đo liên tục (độ chính xác cao nhất, ±0.01 mN/m). (3) Giọt treo: Hình dạng giọt được phân tích quang học bằng phương trình Young-Laplace (hoạt động ở nhiệt độ/áp suất cao). (4) Mao dẫn: Chất lỏng dâng lên trong một ống hẹp, chiều cao được đo: γ = ρghr/(2cosθ) trong đó ρ = khối lượng riêng, h = chiều cao, r = bán kính, θ = góc tiếp xúc.

ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) mô tả sự chênh lệch áp suất qua một bề mặt cong. R₁, R₂ là các bán kính cong chính. Đối với một hình cầu (bong bóng, giọt): ΔP = 2γ/R. Các bong bóng nhỏ có áp suất bên trong cao hơn các bong bóng lớn. Ví dụ: một giọt nước 1 mm có ΔP = 2×0.0728/0.0005 = 291 Pa (0.003 atm). Điều này giải thích tại sao các bong bóng nhỏ trong bọt co lại (khí khuếch tán từ nhỏ sang lớn) và tại sao các phế nang phổi cần chất hoạt động bề mặt (làm giảm γ để chúng không bị xẹp).

Thủy ngân: Lực kết dính mạnh (liên kết kim loại, γ = 486 mN/m) >> lực bám dính yếu với kính → góc tiếp xúc θ ≈ 140° → co lại thành giọt. Nước: Lực kết dính trung bình (liên kết hydro, γ = 72.8 mN/m) < lực bám dính mạnh với kính (liên kết hydro với các nhóm -OH trên bề mặt) → θ ≈ 0-20° → lan ra. Phương trình Young: cos θ = (γ_rắn-hơi - γ_rắn-lỏng)/γ_lỏng-hơi. Khi lực bám dính > lực kết dính, cos θ > 0, do đó θ < 90° (thấm ướt).

Không. Sức căng bề mặt luôn dương—nó đại diện cho chi phí năng lượng để tạo ra diện tích bề mặt mới. γ âm có nghĩa là các bề mặt sẽ tự động giãn nở, vi phạm các định luật nhiệt động học (entropy tăng, nhưng pha khối ổn định hơn). Tuy nhiên, sức căng bề mặt phân cách giữa hai chất lỏng có thể rất thấp (gần bằng không): trong thu hồi dầu tăng cường, các chất hoạt động bề mặt làm giảm γ dầu-nước xuống <0.01 mN/m, gây ra sự nhũ hóa tự phát. Tại điểm tới hạn, γ = 0 chính xác (sự khác biệt giữa chất lỏng và chất khí biến mất).