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

Hiện tượng mao dẫn là một trong những hiện tượng vật lý quan trọng, đóng vai trò then chốt trong nhiều quá trình tự nhiên và ứng dụng công nghiệp. Từ việc hấp thụ nước của cây cối đến các ứng dụng trong y học và kỹ thuật, mao dẫn có mặt ở khắp mọi nơi trong cuộc sống hàng ngày. Bài viết này sẽ giải thích hiện tượng mao dẫn là gì, cung cấp công thức liên quan, và khám phá các ứng dụng thực tế của nó. 

Hiện tượng mao dẫn là gì? 

Hiện tượng mao dẫn là hiện tượng chất lỏng tự động dâng lên hoặc hạ xuống trong các ống mao quản (những ống nhỏ có đường kính rất nhỏ) mà không cần hoặc chỉ cần một lực bên ngoài tác động nhẹ. Hiện tượng này xảy ra do sự kết hợp giữa lực hút giữa các phân tử của chất lỏng với nhau (lực kết dính) và lực hút giữa các phân tử của chất lỏng với bề mặt của ống mao quản (lực dính).

Lịch sử nghiên cứu ra hiện tượng mao dẫn

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

Đến năm 1660, nhà hóa học người Ireland Robert Boyle nhận thấy hiện tượng mao dẫn vẫn còn mới mẻ. Ông đề cập rằng “một số người đàn ông người Pháp tò mò” đã quan sát thấy khi một ống tuýp được nhúng vào nước, “nước trong ống sẽ cao lên”. Boyle đã tiến hành thí nghiệm với ống mao dẫn chứa rượu vang đỏ và nhận thấy rằng chân không không ảnh hưởng đáng kể đến chiều cao chất lỏng trong ống mao dẫn. Điều này cho thấy hiện tượng mao dẫn không liên quan đến áp suất khí quyển như trong các thí nghiệm với thủy ngân.

Các nhà khoa học khác cũng nhanh chóng nghiên cứu hiện tượng này. Một số như Honoré Fabri và Jacob Bernoulli nghĩ rằng chất lỏng tăng lên trong ống mao dẫn do không khí không thể dễ dàng xâm nhập. Trong khi đó, Isaac Vossius, Giovanni Alfonso Borelli, Louis Carré, Francis Hauksbee và Josia Weitbrecht cho rằng các hạt chất lỏng hút vào nhau và vào thành ống.

Năm 1805, Thomas Young và Pierre-Simon Laplace đã phát triển phương trình Young-Laplace để giải thích hành động mao dẫn. Năm 1830, Carl Friedrich Gauss đã xác định các điều kiện biên cho hành động mao dẫn, tức là các điều kiện tại giao diện rắn-lỏng. Đến năm 1871, William Thomson (Nam tước Kelvin) đã xác định ảnh hưởng của sụn đối với áp suất hơi của chất lỏng, đưa ra phương trình Kelvin. Franz Ernst Neumann sau đó đã nghiên cứu sự tương tác giữa hai chất lỏng không hòa tan.

Năm 1900, Albert Einstein đã nộp bài báo đầu tiên của mình về hiện tượng mao dẫn cho Annalen der Physik. Trong thế kỷ 20, nghiên cứu về mao dẫn tiếp tục phát triển và được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như sinh học, hóa học và kỹ thuật.

Hiện nay, hiện tượng mao dẫn là nền tảng cho công nghệ vi lỏng (microfluidics), với nhiều ứng dụng trong y tế, cảm biến và xử lý chất lỏng ở quy mô vi mô. Từ những quan sát ban đầu đến các nghiên cứu hiện đại, hiện tượng mao dẫn đã chứng minh tầm quan trọng của nó trong khoa học và công nghệ.

Thí nghiệm hiện tượng mao dẫn

Trong thí nghiệm về hiện tượng mao dẫn, khi nhúng một ống thủy tinh có đường kính nhỏ vào chất lỏng, ta quan sát thấy mực chất lỏng bên trong ống thay đổi so với bên ngoài. Nếu chất lỏng dính ướt thủy tinh, mực chất lỏng bên trong ống sẽ cao hơn mực chất lỏng bên ngoài. Ngược lại, nếu chất lỏng không dính ướt thủy tinh, mực chất lỏng bên trong sẽ thấp hơn mực bên ngoài. Ống thủy tinh này được gọi là ống mao dẫn.

Đường kính nhỏ của ống thủy tinh làm cho lực hút giữa các phân tử của chất rắn (thủy tinh) và các phân tử chất lỏng ở gần thành ống lớn hơn lực hút giữa các phân tử chất lỏng với nhau. Đối với một ống thủy tinh, lực hút này làm cho nước bên trong ống dâng lên cao hơn mực chất lỏng bên ngoài. Đường kính ống càng nhỏ, mực chất lỏng bên trong càng cao.

Trong trường hợp chất lỏng không dính ướt thành ống, các phân tử chất lỏng ở thành ống sẽ bị lực hút giữa các phân tử chất lỏng bên trong kéo xuống, làm cho mực chất lỏng bên trong ống hạ xuống.

Công thức tính độ chênh lệch mức chất lỏng

Công thức tính độ chênh lệch mức chất lỏng

Độ chênh lệch mức chất lỏng (h) được tính bằng công thức sau:

h = ρgh/Δp

Trong đó:

h: Độ chênh lệch mức chất lỏng (đơn vị: mét)

ρ: Khối lượng riêng của chất lỏng (đơn vị: kg/m³)

g: Gia tốc trọng lực (đơn vị: m/s²) - Lưu ý: Giá trị g gần xấp xỉ 9,81 m/s²

Δp: Độ chênh lệch áp suất (đơn vị: Pa)

Ứng dụng của hiện tượng mao dẫn

Hiện tượng mao dẫn có rất nhiều ứng dụng trong đời sống và công nghiệp.

Trong tự nhiên, cây cối sử dụng mao dẫn để vận chuyển nước và dưỡng chất từ rễ lên lá, giúp cây phát triển khỏe mạnh. Trong lĩnh vực y học, ống mao dẫn được ứng dụng trong các thiết bị y tế như ống nghiệm và kim tiêm, giúp phân tích và tiêm truyền chính xác các chất lỏng.

Trong công nghiệp, hiện tượng mao dẫn được sử dụng trong các đồng hồ đo áp suất, giúp đo lường áp suất của chất lỏng và khí một cách chính xác. Ngành dệt may cũng tận dụng mao dẫn để sản xuất các loại vải có khả năng hút ẩm và thấm mồ hôi tốt hơn, cải thiện sự thoải mái cho người mặc.

Ngoài ra, công nghệ vi lỏng (microfluidics) sử dụng hiện tượng mao dẫn để điều khiển và quản lý dòng chảy của chất lỏng trong các hệ thống nhỏ gọn, có ứng dụng trong nghiên cứu khoa học, y học và công nghệ.