Hiện tượng mao dẫn là gì? Công thức và ứng dụng thực tế

 

Hiện tượng mao dẫn là gì?

Hiện tượng mao dẫn là hiện tượng chất lỏng tự dâng lên cao trong vùng không gian hẹp mà không cần, thậm chí ngược hướng, với ngoại lực (như trọng lực). Hiện tượng có thể quan sát ở các ống tiết diện nhỏ, các khe rất hẹp giữa hai tấm kính, nhựa, giữa các răng của bàn chải,…

Nguyên nhân do bản thân trong chất lỏng có lực dính ướt (lực làm cho dung dịch giữ lại trên bề mặt các chất và sức căng bề mặt). Khi lực dính ướt lớn hơn sức căng bề mặt thì dung dịch được kéo lên trên bề mặt chất lỏng một khoảng.

Vậy hiện tượng mao dẫn là hiện tượng lực dính ướt của dung dịch thắng được sức căng bề mặt nhằm kéo dung dịch lên trên các ống dẫn.

+ Hiện tượng dính ướt và không dính ướt

Khi chất lỏng đựng trong bình (hoặc ở trên bề mặt vật rắn), tại phần tiếp giáp với thành bình có lực hút giữa  phân tử chất lỏng với phân tử chất rắn.

• Khi lực hút giữa các phân tử chất rắn với các phân tử chất lỏng mạnh hơn lực hút giữa các phân tử chất lỏng với nhau => Hiện tượng dính ướt
• Khi lực hút giữa các phân tử chất rắn với các phân tử chất lỏng yếu hơn => Hiện tượng không dính ướt.

Lịch sử nghiên cứu ra hiện tượng mao dẫn

Những quan sát đầu tiên về hoạt động của mao dẫn được thực hiện bởi Leonardo da Vinci. Niccolo Aganti, cựu sinh viên của Galileo, được cho là đã xem xét và xử lý hiện tượng mao dẫn.

Năm 1660, hiện tượng mao dẫn vẫn là một điều mới mẻ đối với nhà hoá học người Ireland Robert Boyle, khi ông nói rằng “một số người đàn ông người Pháp tò mò” đã quan sát thấy rằng khi một ống tuýp được nhúng vào nước, “nước trong ống sẽ cao lên”.

Boyle sau đó báo cáo một thí nghiệm trong đó ông nhúng một ống mao dẫn vào rượu vang đỏ và sau đó đưa ống vào chân không một phần. Ông nhận thấy rằng chân không không có ảnh hưởng đáng kể nào về chiều cao của chất lỏng trong ống mao dẫn, do đó hành vi của chất lỏng trong các ống mao dẫn là do một hiện tượng khác với những gì đã điều chỉnh trong các ống đo áp suất khí quyển bằng thủy ngân.

Các nhà khoa học khác cũng nhanh chóng nghiên cứu hiện tượng này. Một số người (ví dụ Honoré Fabri, Jacob Bernoulli) nghĩ rằng chất lỏng tăng lên trong các ống mao dẫn vì không khí không thể đi vào các mao mạch dễ dàng như chất lỏng, vì vậy áp suất không khí bên trong ống thấp hơn. Những người khác (ví dụ: Isaac Vossius, Giovanni Alfonso Borelli, Louis Carré, Francis Hauksbee, Josia Weitbrecht) nghĩ rằng các hạt chất lỏng bị hút vào nhau và bị hút vào thành ống mao dẫn.

Mặc dù các nghiên cứu thực nghiệm vẫn tiếp tục trong thế kỷ 18, một phương pháp điều trị định lượng thành công mao mạch đã không đạt được cho đến năm 1805 bởi hai nhà điều tra: Thomas Young của Vương quốc Anh và Pierre-Simon Laplace của Pháp. Họ rút ra phương trình Young – Laplace của 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, các điều kiện tại giao diện rắn-lỏng). Năm 1871, nhà vật lý người Anh William Thomson, Nam tước thứ nhất Kelvin đã xác định ảnh hưởng của sụn đối với áp suất hơi của chất lỏng. Một mối quan hệ được gọi là phương trình Kelvin. Nhà vật lý người Đức Franz Ernst Neumann (1798-1895) sau đó đã xác định sự tương tác giữa hai chất lỏng bất biến.

Bài báo đầu tiên của Albert Einstein, được đệ trình cho Annalen der Physik vào năm 1900, là về mao mạch.

Thí nghiệm hiện tượng mao dẫn

Thí nghiệm về hiện tượng mao dẫn: Khi nhúng một ống thuỷ tinh có đường kính trong nhỏ vào chất lỏng, người ta nhận thấy mực chất lỏng bên trong ống trở nên cao hơn hoặc thấp hơn mực chất lỏng bên ngoài ống.

Nếu chất lỏng làm dính ướt thủy tinh thì mức chất lỏng bên trong ống sẽ dâng cao hơn mức chất lỏng ở phía bên ngoài ống. Ngược lại, nếu như chất lỏng không dính ướt ống thủy tinh thì mức chất lỏng bên trong ống sẽ hạ xuống thấp hơn mức chất lỏng bên ngoài ống. Ống thủy tinh lúc này gây ra hiện tượng mao dẫn gọi là ống mao dẫn.

Do đường kính trong của ống thủy tinh nhỏ nên lực hút phân tử của chất rắn đối với các phân tử chất lỏng ở gần thành ống thủy tinh lớn hơn lực hút của các phân tử chất lỏng (trong lòng chất lỏng) đối với các phân tử ở gần thành chất lỏng. Đối với một ống thủy tinh, lực hút này làm cho nước bên trong ống dâng lên trên mực chất lỏng bên ngoài ống. Đường kính của ống thuỷ tinh càng nhỏ thì mực chất lỏng bên trong ống càng cao.

Ngược lại, nếu không dính ướt thành ống thủy tinh thì các phân tử chất lỏng trên thành ống sẽ bị lực hút giữa các phân tử chất lỏng (bên trong chất lỏng) và các phân tử chất lỏng trên thành kéo xuống.

Công thức tính độ chênh lệch mức chất lỏng

Công thức tính độ chênh lệch mức chất lỏng khi xảy ra hiện tượng mao dẫn

h = 4σ/ρgd​

Trong đó:

• σ: hệ số căng mặt ngoài của chất lỏng(N/m)
• ρ: khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m3)
• d: đường kính trong của ống (m)
• h: là độ chênh giữa mức chất lỏng bên trong và bên ngoài ống mao dẫn (m)
• gia tốc rơi tự do (m/s2)

Ứng dụng của hiện tượng mao dẫn

Hiện tượng mao dẫn này cũng được vận dụng rất nhiều trong cuộc sống hiện nay. Nhờ có hiện tượng mao dẫn này mà các hiện tượng như:

• Nước có thể dâng lên từ đất qua hệ thống các ống mao dẫn trong bộ rễ và trong thân cây để nuôi cây tươi tốt.
• Dầu hoả có thể ngấm theo các sợi nhỏ trong bấc đèn lên đến ngọn bấc để cháy.
• Dầu nhờn có thể thấm qua các lớp phớt hay mút xốp để bôi trơn liên tục các vòng đỡ trục quay của các động cơ điện,…

Vì thế mà ta không thể phủ nhận vai trò to lớn của hiện tượng này trong cuộc sống ngày nay. Ngoài ra chúng còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nữa như để làm bút máy, sản xuất giấy thấm…

Như vậy là bài viết vừa rồi chúng tôi đã giúp bạn giải đáp hiện tượng mao dẫn là gì? Ứng dụng cũng như công thức tính của chúng. Ngoài ra chúng tôi cũng cung cấp đến bạn thêm nhiều thông tin hữu ích trên bài viết. Hy vọng những gì mà chúng tôi cung cấp có thể giúp bạn trong quá trình tìm hiểu và học tập. Cảm ơn bạn đã quan tâm và theo dõi bài biết của chúng tôi. Hẹn gặp lại trong những bài chia sẻ hữu ích khác của AME Group.