Bài giảng Vật lý đại cương 2 - Chương 5: Chất lỏng

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SƢ BỘ MÔN VẬT LÝ NGUYỄN NHƢ XUÂN VẬT LÝ ĐẠI CƢƠNG 2 Chƣơng 5: CHẤT LỎNG  Cấu tạo và các hiện tượng mặt ngoài của chất lỏng.  Hiện tượng mao dẫn .  Bài tập chất lỏng. I. Cấu tạo và các hiện tƣợng mặt ngoài của chất lỏng 1. Cấu tạo và chuyển động phân tử chất lỏng. a. Trạng thái lỏng của các chất - Chất lỏng là trạng thái trung gian của chất khí và chất rắn. - Ở những nhiệt độ xác định có sự chuyển trạng thái từ chất lỏng sang chất rắn (quá trình đông đặc), từ chất lỏng sang chất khí(quá trình ngưng tụ). - Ở trạng thái bình thường chất lỏng lại có những tính chất khác thường so với chất rắn và chất khí. b. Cấu tạo và chuyển động phân tử của chất lỏng - Các phân tử chất lỏng nằm gần nhau gấp 10 lần so với trong các chất khí ở áp suất tiêu chuẩn nhưng luôn luôn dịch chuyển hỗn loạn theo các hướng do chuyển động nhiệt. - Theo quan điểm thống kê, các phân tử chất lỏng mỗi phân tử cũng dao động xung quanh VTCB nhưng chúng không gắn bó vĩnh viễn ở vị trí ấy mà "thỉnh thoảng" lại thay đổi VTCB, di chuyển đi một đoạn độ dài vào cỡ kích thước phân tử. - Khoảng thời gian mà mỗi phân tử có thể tồn tại ở một VTCB nào đấy sẽ càng lớn khi nhiệt độ chất lỏng càng thấp. kT W oe Thời gian dao động trung bình của một phân tử quanh VTCB Chu kì dao động trung bình của một phân tử quanh VTCB Năng lượng dao động của phân tử. 2. Áp suất phân tử chất lỏng. -Các phân tử chất lỏng sắp xếp gần nhau để lực hút giữa chúng có cường độ khá lớn. - Lực hút này giảm nhanh theo khoảng cách, khoảng cách ro đủ lớn có thể bỏ qua lực hút giữa các phân tử. Khoảng cách ro này được gọi là bán kính tương tác, còn mặt cầu có bán kính ro được gọi là mặt cầu tương tác (mặt cầu bảo vệ). Phân tử nằm sâu trong chất lỏng, lực tác dụng vào mỗi phân tử bằng không Phân tử nằm ở lớp mặt ngoài, lực tác dụng vào mỗi phân tử hướng vào trong chất lỏng Gây ra áp suất phân tử (nội áp trong PT Vandecvan) 3. Năng lƣợng mặt ngoại và sức căng mặt ngoài của chất lỏng. a. Năng lƣợng mặt ngoài - Muốn đưa một phân tử chất lỏng từ bên trong lòng chất lỏng ra ngoài lớp bề mặt, cần phải tốn một công để chống lại tác dụng của lực tổng hợp đó. Khi phân tử chất lỏng di chuyển từ bên trong ra gần mặt thoáng, động năng của nó giảm đi và biến thành thế năng. Mỗi phân tử bên trong lớp lân cận mặt thoáng sẽ có một thế năng bổ sung. Phần năng lượng bổ sung này được gọi là năng lượng bề mặt của chất lỏng. - Năng lượng mặt ngoài tỷ lệ với diện tích mặt ngoài của chất lỏng. SE   : là một hệ số tỷ lệ được gọi là hệ số lực căng mặt ngoài của chất lỏng (N/m), phụ thuộc vào nhiệt độ, các chất hoà tan. S là diện tích mặt ngoài. - Khi hệ đạt trạng thái cân bằng bền thì thế năng đạt cực tiểu do đó một giọt chất lỏng không chịu tác dụng của các tác nhân bên ngoài sẽ có dạng sao cho mặt thoáng của nó có diện tích nhỏ nhất, tức là có dạng hình cầu. Tính chất thu nhỏ diện tích bề mặt của chất lỏng. Thí nghiệm: Dùng một khung hình chữ nhật làm bằng dây thép mảnh có cạnh CD di chuyển dễ dàng dọc theo hai cạnh BC và AD. Nhúng thẳng đứng khung này vào nước xà phòng rồi lấy ra nhẹ nhàng ta được một màng xà phòng hình chữ nhật. Màng xà phòng là một khối dẹt dung dịch xà phòng. A B D C b. Lực căng mặt ngoài Nếu bây giờ ta nâng khung cho nó dần dần nằm ngang thì sẽ quan sát thấy thanh CD bị kéo về phía cạnh AB do màng xà phòng thu bé diện tích lại A B D C Để giữ nguyên mặt ngoài của chất lỏng cần tác dụng lên chu vi mặt ngoài các lực vuông góc với đường chu vi và tiếp tuyến với mặt ngoài gọi là sức căng mặt ngoài -Lực căng (sức căng) mặt ngoài có đặc điểm: + Tác dụng lên một chu vi của đường giới hạn. + Có phương: nằm trong mặt phẳng tiếp xúc của mặt chất lỏng và vuông góc với đường chu vi của mặt giới hạn. + Có chiều làm thu nhỏ diện tích của mặt thoáng + Có độ lớn tỷ lệ với chiều dài l của chu vi đường giới hạn F l   D C A B F F Các ví dụ về một số hiện tƣợng tạo thành do tác dụng của sức căng mặt ngoài: Giọt nước có dạng gần hình cầu . Troø chôi thoåi bong boùng xaø phoøng. Quan sát hiện tượng: + Nhỏ 1 giọt nước lên một tấm thuỷ tinh, hiện tượng xảy ra như thế nào? Giọt nước chảy lan ra + Nhỏ 1 giọt thuỷ ngân lên một tấm thuỷ tinh, hiện tượng xảy ra như thế nào? Giọt thuỷ ngân thu về dạng hình cầu (hơi dẹt) Kết luận: Nước dính ướt thuỷ tinh và thuỷ ngân không dính ướt thuỷ tinh 4. Hiện tƣợng dính ƣớt và không dính ƣớt Xét mặt phân cách của ba chất rắn, lỏng, khí không phản ứng hoá học với nhau. Đường giới hạn của các chất này sẽ ổn định ứng với cực tiểu của năng lượng toàn phần. Khi đó lực tổng hợp tác dụng lên phần tử của đường giới hạn sẽ bị triệt tiêu theo phương mà phần tử đó có thể dịch chuyển. Điều kiện cân bằng của đoạn l trên đường giới hạn là : Chất rắn Chất khí Chất lỏng  .rk rkF l  .rl rlF l  .lk lkF l .cos . . . .cos rk rl lk rk rl lk F F F l l l              Góc  gọi là góc mép (góc bờ) cos rk rl lk       Góc mép phải thoả mãn : 1rk rl lk      Nếu rk rl lk    thì không thể có sự cân bằng. Xét 2 trường hợp rk rl lk   + TH1: thì với mọi góc  lực của rk cũng lớn hơn tổng hai lực còn lại. Khi đó chất lỏng sẽ loang ra vô hạn trên mặt chất rắn. Đó là sự dính ướt toàn phần. Trong trường hợp này góc mép  =0 .rk rkF l  .rl rlF l  .lk lkF l  rl rk lk   + TH2: thì với mọi góc  lực của rl cũng lớn hơn tổng hai lực còn lại. Khi đó mặt giới hạn chất lỏng với vật rắn sẽ thu lại một điểm, chất lỏng coi như tách khỏi chất rắn. Đó là sự không dính ướt toàn phần. Trong trường hợp này góc mép  = .rk rkF l  .rl rlF l  .lk lkF l  Nếu rk rl lk    thì có sự cân bằng. Xét 2 trường hợp cos 0 rk rl    + TH1: thì góc  nhọn, đó là sự dính ướt một phần. cos 0 rk rl    + TH2: thì góc  tù, đó là sự không dính ướt một phần. .rk rkF l  .rl rlF l  .lk lkF l  .rk rkF l  .rl rlF l  .lk lkF l   Ứng dụng của sự dính ướt: Loại bẩn quặng ra khỏi quặng Nước pha dầu Bẩn quặng II. Hiện tƣợng mao dẫn 1. Áp suất phụ dƣới mặt khum Do hiện tượng dính ướt hay không dính ướt mà mặt ngoài của chất lỏng đựng trong bình thường có dạng mặt khum. Mặt khum lồi lên hay lõm xuống phụ thuộc vào chất lỏng và thành bình. Ví dụ nước trong bình thuỷ tinh thì mặt khum này sẽ lõm xuống, còn thuỷ ngân trong bình thuỷ tinh thì mặt khum lại lồi lên. Mặt khum lồi lên là do lực căng có tác dụng ép chất lỏng xuống, còn lõm xuống là do lực căng gây ra áp suất phụ hướng lên trên. Trường hợp dính ướt Trường hợp không dính ướt  R r  Áp suất phụ : Với quy ước về dấu của bán kính mặt cầu : là dương khi hướng về phía chất lỏng, là âm khi hướng ra khỏi mặt chất lỏng, thì công thức tổng quát là : RS F p 2  mặt khum có hình dạng bất kỳ thì áp suất phụ được xác định theo công thức Laplace :        21 11 RR p  R1, R2 hai bán kính cong của giao tuyến của hai mặt phẳng vuông góc với nhau và đi qua pháp tuyến của mặt thoáng tại điểm khảo sát với mặt thoáng của chất lỏng. Nước Lấy 2 ống thuỷ tinh hở 2 đầu, có đường kính trong rÊt nhá khác nhau nhúng thẳng đứng vào chậu nước a/ Quan sát: Thí nghiệm 1: 2. Hiện tƣợng mao dẫn Lấy 2 ống thuỷ tinh hở 2 đầu, có đường kính trong rất nhỏ khác nhau nhúng thẳng đứng vào chậu thuỷ ngân. + Thí nghiệm 2: Thuỷ ngân Nước -B1: Lấy 2 tấm thuỷ tinh đặt song song hay tạo thành một khe heûp rất nhỏ. -B2: Nhúng vào một chậu nước. * Thí nghiệm 3 2 tấm thuỷ tinh KL: Hiện tượng mao dẫn là hiện tượng chất lỏng dâng lên hay hạ xuống trong những bình chứa có kích thước nhỏ. Nguyên nhân gây ra hiện tượng mao dẫn là do tác dụng của áp suất phụ của mặt khum của chất lỏng. + Nếu mặt khum lõm, áp suất phụ hướng lên và sẽ kéo chất lỏng hướng lên. + Còn nếu mặt khum lồi, áp suất phụ sẽ hướng xuống dưới và chất lỏng sẽ ép xuống dưới. + Với những chất dính ướt thành bình, mặt khum sẽ có dạng mặt lõm, chất lỏng sẽ dâng lên. Còn với chất không dính ướt, mặt khum có dạng mặt lồi, chất lỏng sẽ hạ xuống. Công thức Juyranh: gr h   cos2  Ý nghĩa của hiện tượng mao dẫn: - Giấy thấm hút mực - Bấc đèn - Rễ cây hút nước ÔN TẬP Các bài tập tối thiểu yêu cầu sinh viên ôn tập: Lý thuyết: - Hiện tượng căng mặt ngoại - Hiện tượng mao dẫn của chất lỏng. - Công thức Jurin 11.1, 11.2, 11.3, 11.4, 11.6, 11.7, 11.9, 11.15