Thí nghiệm với một thìa nước dùng

27

Thí nghiệm
với một thìa nước dùng

Hãy rửa sạch những hiện tượng thú vị trong chất lỏng xảy ra trên bề mặt của nó, nơi nó giáp với hơi, trên một số chất lỏng khác hoặc trên một chất rắn.

Lớp chất lỏng bề mặt ở điều kiện đặc biệt so với phần còn lại của khối chất lỏng và do đó có những tính chất đặc biệt. Trước hết, đây là sức căng bề mặt. Nó liên quan đến các hiện tượng như ướt hoặc không ướt.

Chúng tôi khuyên bạn nên tiến hành một số thí nghiệm và nghiên cứu hành vi của một chất lỏng trên bề mặt của chất lỏng khác.

Sau khi múc một thìa nước luộc thịt ngon, bạn đừng vội cho vào miệng. Nhìn kỹ nước dùng - những giọt mỡ lớn nổi trên bề mặt. Chú ý kích thước của những giọt này. Theo nghĩa bóng, đổ một ít nước dùng từ thìa vào bát và nhìn lại bề mặt của nó - những giọt mỡ đã lan rộng ra, có đường kính lớn hơn và độ dày nhỏ hơn. Điều gì giải thích hiện tượng thú vị này?

Trước hết, chúng ta hãy tìm hiểu trong những điều kiện nhất định, một giọt mỡ có thể đọng lại trên bề mặt nước dùng mà không lan ra. Nhìn vào Hình 1 - một giọt chất lỏng 2 (chất béo) nằm trên bề mặt chất lỏng 1 (nước dùng). Hình dạng giọt giống như đậu lăng. Trên cùng là môi trường 3 - hỗn hợp không khí với hơi lỏng 1 và 2. Khi môi trường (1, 2 và 3) tiếp xúc dọc theo một vòng tròn giới hạn bởi một giọt. Chúng ta hãy chọn một phần tử nhỏ của đường tròn này (gần điểm O trong Hình 1) có chiều dài $\Delta l$. Ba lực căng bề mặt tác dụng lên nó. Tại mặt tiếp xúc giữa chất lỏng 1 và chất lỏng 2 xuất hiện một lực $\vec{F}_{12}$ hướng tiếp tuyến với mặt phân cách và có mô đun bằng nhau

$$|\vec{F}_{12}| = \sigma_{12} \Delta l,$$

trong đó $\sigma_{12}$ là hệ số sức căng bề mặt tại giao diện của phương tiện 1 và 2.

Các lực tương tự $\vec{F}_{13}$ và $\vec{F}_{23}$ tác dụng lên các mặt tiếp xúc 1, 3 và 2, 3:

$$|\vec{F}_{13}| = \sigma_{13} \Delta l$$

Và

$$|\vec{F}_{23}| = \sigma_{23} \Delta l.$$

Ở đây $\sigma_{13}$ và $\sigma_{23}$ là hệ số sức căng bề mặt tương ứng.

Rõ ràng, giọt nước sẽ cân bằng nếu tổng của cả ba lực bằng không:

$$\vec{F}_{12} + \vec{F}_{13} + \vec{F}_{23} = 0,$$

hoặc - trong các hình chiếu trên trục tọa độ $X$ và $Y$ (sau khi thay thế các giá trị trục hoành tương ứng và giảm xuống $\Delta l$) -

$$\sigma_{13} = \sigma_{12} \cos \theta_1 + \sigma_{23} \cos \theta_2,$$

($*$)

$$\sigma_{12} \sin \theta_1 = \sigma_{23} \sin \theta_2.$$

Ở đây $\theta_1$ và $\theta_2$ là các góc tiếp xúc với bề mặt của giọt chất lỏng 2 và bề mặt của chất lỏng 1, chúng được gọi là các góc cạnh.

Từ đẳng thức (*), rõ ràng rằng sự cân bằng của một giọt nước có thể xảy ra nếu các hệ số sức căng bề mặt có liên hệ với nhau bởi một sự tương ứng nhất định:

$$\sigma_{13} < \sigma_{12} + \sigma_{23}.$$

Vì diện tích bề mặt của chất lỏng nhỏ và phụ thuộc vào sự có mặt của môi trường khí phía trên chất lỏng nên trên thực tế chúng ta có thể giả sử rằng

$$\sigma_{13} = \sigma_1 \text{ и } \sigma_{23} = \sigma_2.$$

Các đại lượng $\sigma_1$ và $\sigma_2$ được gọi là hệ số sức căng bề mặt

28

Chất lỏng 1 và 2 tương ứng; trong trường hợp của chúng tôi, đây là hệ số sức căng bề mặt của nước dùng và mỡ.

Do đó, một giọt chất béo sẽ nổi trên bề mặt nước dùng mà không lan rộng nếu hệ số sức căng bề mặt của nước dùng nhỏ hơn tổng hệ số sức căng bề mặt của chất béo và bề mặt phân cách nước dùng-mỡ:

$$\sigma_1 < \sigma_2 + \sigma_{12}.$$

Trong trường hợp cụ thể, khi giọt nước rất mỏng (gần như phẳng) thì các góc $\theta_1$ và $\theta_2$ nhỏ ($\theta_1 = \theta_2 = 0$) và điều kiện cân bằng của giọt nước có dạng:

$$\sigma_1 = \sigma_2 + \sigma_{12}.$$

Tại

$$\sigma_1 > \sigma_2 + \sigma_{12}$$

không có giá trị nào của góc $\theta_1$ và $\theta_2$ mà đẳng thức (*) sẽ giữ. Điều này có nghĩa là trong trường hợp này, chất lỏng 2 không đọng lại thành giọt trên bề mặt chất lỏng 1 mà lan ra thành một lớp mỏng.

Bây giờ chúng tôi sẽ cố gắng giải thích kết quả thí nghiệm bằng một thìa nước dùng. Những giọt mỡ nổi trên bề mặt nước dùng, điều đó có nghĩa là sự tương ứng (**) đã được đáp ứng. Tại sao khi nước dùng trong thìa giảm đi, các giọt nước lại lan ra khắp bề mặt, tăng kích thước? Điều này thay đổi điều gì?

Chúng tôi đưa ra lời giải thích này. Hệ số sức căng bề mặt của mỡ $\sigma_2$ và bề mặt phân cách giữa nước dùng và mỡ $\sigma_{12}$ không thay đổi. Vẫn giả định rằng khi đổ một phần nước dùng từ thìa, hệ số căng bề mặt của nước dùng $\sigma_1$ thay đổi. Nhưng nước dùng (theo cách gần đúng đầu tiên) là nước. Hệ số căng bề mặt của nước có thể thay đổi nếu lượng nước trong bình giảm đi? Rõ ràng là không. Đúng vậy, nước dùng không chỉ là nước mà còn là nước được phủ một lớp mỡ mỏng. Khi chúng ta đổ nước dùng bằng thìa, chúng ta cũng đổ một ít mỡ ra để độ dày của lớp mỡ bao phủ nước dùng giảm đi. Điều này rất bất lợi, dẫn đến sự gia tăng hệ số căng bề mặt của nước dùng. Trong lại

29

Kết quả là những giọt mỡ lan khắp bề mặt nước dùng.

Để kiểm tra, chúng tôi khuyên bạn nên tự mình kiểm tra trải nghiệm này. Đổ nước máy sạch vào một chiếc đĩa sạch (không có vết mỡ). Dùng pipet hoặc ống nhỏ (có thể dùng bút bi sạch), nhỏ một ít dầu hướng dương lên mặt nước. Bạn sẽ thấy giọt đầu tiên mọc hoàn toàn trên mặt nước. Những giọt tiếp theo không còn phát triển nữa mà được hình thành bởi đậu lăng. Cẩn thận đổ một ít nước ra - những giọt nước sẽ lan ra trên bề mặt của nó.

Tóm lại, chúng ta hãy quay trở lại trải nghiệm một thìa nước dùng một lần nữa. Bằng cách quan sát cẩn thận hành vi của các giọt chất béo, bạn sẽ có thể nhận thấy những hiện tượng rất thú vị về sự vỡ ra và phục hồi của giọt chất béo.

Hình 2-8 thể hiện các bức ảnh chụp kết quả của một trong những thí nghiệm này. Chúng tôi đổ nước máy có màu xanh lam (không chứa cồn) vào cốc thủy tinh sạch. Một ống thủy tinh được làm ẩm nhẹ bằng dầu hướng dương được chạm cẩn thận lên bề mặt nước và thu được tám giọt nhỏ (xem Hình 2). Sau đó, dùng bầu cao su, họ lấy một ít nước ra khỏi cốc - tất cả các giọt đều tăng kích thước. Sau thao tác tiếp theo như vậy, các giọt nước thậm chí còn tăng lên rõ rệt hơn, đồng thời chúng có hình dạng hơi biến dạng (do dòng nước chảy) và các hạt vỡ xuất hiện trên chúng (xem Hình 3).

Tất cả những thay đổi tiếp theo diễn ra một cách tự phát, không có sự can thiệp từ bên ngoài. Lúc đầu, các khoảng trống trong các giọt lớn dần, sau đó chúng hợp lại thành một khoảng trống lớn - giọt nước biến thành một chiếc cọc. Cuối cùng, chiếc cọc này bị rách và bị kéo lại thành giọt (xem Hình 4-8).

Phải không - thật đáng để xem một thìa nước dùng trước khi cho vào miệng!