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

Chương 5 CHẤT LỎNG HÀ NỘI 2016 1 Nguyễn Xuân Thấu -BMVL 2CHƯƠNG 5. CHẤT LỎNG NỘI DUNG CHÍNH  CẤU TẠO VÀ CHUYỂN ĐỘNG PHÂN TỬ CỦA CHẤT LỎNG  CÁC HIỆN TƯỢNG MẶT NGOÀI CỦA CHẤT LỎNG 31. CẤU TẠO VÀ CHUYỂN ĐỘNG PHÂN TỬ CỦA CHẤT LỎNG RẮN LỎNG KHÍ  Trạng thái lỏng là trạng thái trung gian giữa trạng thái khí và rắn 1.1. TRẠNG THÁI LỎNG CỦA VẬT CHẤT 4 Chất lỏng có thể tích xác định nhưng dễ dàng trượt giữa các lớp (không có hình dạng cố định)  Hiện tượng khuyếch tán xảy ra chậm hơn so với chất khí. 1. CẤU TẠO VÀ CHUYỂN ĐỘNG PHÂN TỬ CỦA CHẤT LỎNG 1.1. TRẠNG THÁI LỎNG CỦA VẬT CHẤT 5 Đối với chất lỏng, năng lượng chuyển động nhiệt: t minW kT W®    Vì thế nên chất lỏng vừa có thể dao động quanh vị trí cân bằng bền r0, vừa có thể dịch chuyển trong cả khối chất lỏng. 1. CẤU TẠO VÀ CHUYỂN ĐỘNG PHÂN TỬ CỦA CHẤT LỎNG 1.2. CẤU TẠO VÀ CHUYỂN ĐỘNG PHÂN TỬ CỦA CHẤT LỎNG 6W kT 0e    Thời gian dao động trung bình quanh vị trí cân bằng của phân tử chất lỏng 0 - Chu kỳ dao động trung bình của phân tử quanh vị trí cân bằng W – Năng lượng hoạt động của phân tử ♣ Với nước ở nhiệt độ thường 13 0 10 s   1110 s   Như vậy cứ dao động khoảng 100 chu kỳ, phân tử nước lại dịch đi chỗ khác!!! 1. CẤU TẠO VÀ CHUYỂN ĐỘNG PHÂN TỬ CỦA CHẤT LỎNG 1.2. CẤU TẠO VÀ CHUYỂN ĐỘNG PHÂN TỬ CỦA CHẤT LỎNG 72. CÁC HIỆN TƯỢNG MẶT NGOÀI CỦA CHẤT LỎNG 2.1. ÁP SUẤT PHÂN TỬ  Trong chất lỏng khoảng cách phân tử nho so với trong chất khí, vì vậy lực hút phân tử đóng vai trò đáng kể.  Lấy 1 phân tử làm tâm, vẽ mặt cầu bán kính cỡ nm, chỉ những phân tử trong mặt cầu đó mới tác dụng với phân tử ở tâm.Mặt cầu bảo vệ  Những phân tử nằm sâu trong chất lỏng lực tác dụng lên chúng bù trừ nhau.  Những phân tử nằm ở lớp ngoài, lực tác dụng không bù trừ nhau, phân tử chịu tác dụng lực hướng vào trong chất lỏng. Lực này ép lên phần chất lỏng bên trong gọi là áp suất phân tử. 82. CÁC HIỆN TƯỢNG MẶT NGOÀI CỦA CHẤT LỎNG 2.1. ÁP SUẤT PHÂN TỬ 9 Do các phân tử nằm ở mặt ngoài bị các phân tử phía trong hút, vì vậy năng lượng của chúng, ngoài động năng chuyển động nhiệt, còn có thế năng quy định bởi các lực hút đó. 2. CÁC HIỆN TƯỢNG MẶT NGOÀI CỦA CHẤT LỎNG 2.2. NĂNG LƯỢNG MẶT NGOÀI VÀ SỨC CĂNG MẶT NGOÀI  Nếu nhiệt độ đồng đều (khi đó động năng phân tử lớp trong và lớp bề mặt như nhau), mỗi phân tử lớp mặt ngoài sẽ có tổng năng lượng lớn hơn so với tổng năng lượng của mỗi phân tử lớp bên trong. Phần năng lượng lớn hơn đó được gọi là năng lượng mặt ngoài của chất lỏng.  Số phân tử lớp mặt ngoài càng nhiều thì năng lượng mặt ngoài càng lớn. Vì vậy năng lượng mặt ngoài E tỷ lệ thuận với diện tích mặt ngoài S E S   σ – gọi là hệ số sức căng mặt ngoài. Đơn vị là J/m2 10 2. CÁC HIỆN TƯỢNG MẶT NGOÀI CỦA CHẤT LỎNG 2.2. NĂNG LƯỢNG MẶT NGOÀI VÀ SỨC CĂNG MẶT NGOÀI  Hệ ở trạng thái cân bằng bền lúc thế năng cực tiểu vì vậy chất lỏng cũng sẽ ở trạng thái cân bằng bền lúc diện tích mặt ngoài nhỏ nhất.  Với những hình cùng thể tích thì diện tích của mặt cầu là nhỏ nhất. Nên nếu nhỏ dầu vào trong rượu thì dầu sẽ có dạng những hình cầu. Trọng lực làm giọt nước bị dẹt Lực đẩy Acsimed cân bằng trọng lực, giọt dầu dạng hình cầu 11 2. CÁC HIỆN TƯỢNG MẶT NGOÀI CỦA CHẤT LỎNG 2.2. NĂNG LƯỢNG MẶT NGOÀI VÀ SỨC CĂNG MẶT NGOÀI CÙNG NHAU XEM THÍ NGHIỆM NHÉ! 12 2. CÁC HIỆN TƯỢNG MẶT NGOÀI CỦA CHẤT LỎNG 2.2. NĂNG LƯỢNG MẶT NGOÀI VÀ SỨC CĂNG MẶT NGOÀI  Với những hình cùng chu vi thì diện tích của hình tròn là lớn nhất. Nên nếu lấy 1 khung dây thép nhúng vào nước xà phòng, thả vào đó 1 vòng chỉ rồi chọc thủng màng xà phòng phía trong thì vòng chỉ sẽ thành vòng tròn để diện tích phần xà phòng còn lại lànhỏ nhất. 13 2. CÁC HIỆN TƯỢNG MẶT NGOÀI CỦA CHẤT LỎNG 2.2. NĂNG LƯỢNG MẶT NGOÀI VÀ SỨC CĂNG MẶT NGOÀI  Như vậy, diện tích mặt ngoài của chất lỏng có khuynh hướng tự co lại. Do đó, mặt ngoài chất lỏng giống như một màng cao su bị căng. Để giữ nguyên tình trạng mặt ngoài của chất lỏng, ta phải tác dụng lên chu vi mặt ngoài các lực vuông góc với đường chu vi và tiếp tuyến với mặt ngoài. Lực này gọi là sức căng mặt ngoài 14 2. CÁC HIỆN TƯỢNG MẶT NGOÀI CỦA CHẤT LỎNG 2.2. NĂNG LƯỢNG MẶT NGOÀI VÀ SỨC CĂNG MẶT NGOÀI Bài toán màng xà phòng  Để màng xà phòng không bị co lại, phải tác dụng lên thanh 1 lực F  Kéo thanh trượt đi 1 đoạn là Δx, khi đó diện tích mặt ngoài của màng xà phòng tăng lên (sở dĩ nhân đôi vì màng có 2 mặt): S 2. . x  l  Công thực hiện bởi lực F là: A F. x   Công này làm tăng diện tích mặt ngoài lên ΔS, tức là tăng năng lượng mặt ngoài lên ΔEA=ΔE F. x E S .2.l. F 2 lx          15 2. CÁC HIỆN TƯỢNG MẶT NGOÀI CỦA CHẤT LỎNG 2.2. NĂNG LƯỢNG MẶT NGOÀI VÀ SỨC CĂNG MẶT NGOÀI Trong trường hợp tổng quát, sức căng mặt ngoài có thể thay đổi được dọc theo chu vi, lúc đó xét 1 đoạn Δl đủ nhỏ của chu vi, ta vẫn áp dụng được công thức trên: F l  Đơn vị của sức căng mặt ngoài có thể đo bằng N/m=J/m2 Chất lỏng ở 200C σ (N/m) Nước 0,073 Thủy ngân 0,540 Glixerin 0,065 Ete 0,017 16 2. CÁC HIỆN TƯỢNG MẶT NGOÀI CỦA CHẤT LỎNG 2.2. NĂNG LƯỢNG MẶT NGOÀI VÀ SỨC CĂNG MẶT NGOÀI  Sự tạo thành bọt trong chất lỏng, sự tạo thành giọt khi chất lỏng chảy qua lỗ nhỏlà do tác dụng của sức căng mặt ngoài. Nước mưa không lọt qua chiếc ô được cũng do hiện tượng sức căng mặt ngoài 17 2. CÁC HIỆN TƯỢNG MẶT NGOÀI CỦA CHẤT LỎNG 2.3. HIỆN TƯỢNG LÀM ƯỚT VÀ KHÔNG LÀM ƯỚT  Xét hệ có ba chất giới hạn với nhau là rắn, lỏng, khí:  Hệ có cấu hình cực tiểu của thế năng toàn phần.  Đường cong giới hạn có dạng trên mặt vật rắn sao cho tổng các hình chiếu của các lực căng mặt ngoài tác dụng lên mỗi phần tử của đường cong kín đó phải bằng không. 18 2. CÁC HIỆN TƯỢNG MẶT NGOÀI CỦA CHẤT LỎNG 2.3. HIỆN TƯỢNG LÀM ƯỚT VÀ KHÔNG LÀM ƯỚT Góc θ giữa các tiếp tuyến với mặt chất rắn và mặt chất lỏng, ở phía chất lỏng, được gọi là góc mép. r,k r,l l,k cos      19 2. CÁC HIỆN TƯỢNG MẶT NGOÀI CỦA CHẤT LỎNG 2.3. HIỆN TƯỢNG LÀM ƯỚT VÀ KHÔNG LÀM ƯỚT 0180  00 180   00  Không dính ướt Dính ướt Dính ướt hoàn toàn 20 3. HIỆN TƯỢNG MAO DẪN 3.1. ÁP SUẤT DƯỚI MẶT KHUM  Do hiện tượng dính ướt hay không dính ướt, mặt ngoài của chất lỏng đựng trong bình có dạng mặt khum 21 3. HIỆN TƯỢNG MAO DẪN 3.1. ÁP SUẤT DƯỚI MẶT KHUM Mặt khum lõm xuống hay lồi lên tùy vào chất lỏng và thành bình. Khi lồi lên sức căng có tác dụng ép phần chất lỏng phía dưới và gây ra áp suất phụ dương từ trên xuống. Khi mặt khum lõm, sức căng gây ra áp suất phụ âm hướng lên trên a) b) c) 22  Nếu quy ước bán kính mặt cầu hướng về phía chất lỏng là dương (mặt lồi), còn hướng ra khỏi chất lỏng là âm (lõm), ta có công thức tính áp suất phụ: 3. HIỆN TƯỢNG MAO DẪN 3.1. ÁP SUẤT DƯỚI MẶT KHUM 2 p R     Trong trường hợp mặt khum không là mặt cầu, Laplace chứng minh được: 1 2 1 1 p R R          Trong đó, R1 và R2 là bán kính cong của 2 tiếp tuyến bất kỳ tại điểm đang xét. (Tiếp tuyến của mặt cong tại 1 là giao tuyến của mặt cong với mặt phẳng chứa pháp tuyến tại điểm đó) 23 3. HIỆN TƯỢNG MAO DẪN 3.2. HIỆN TƯỢNG MAO DẪN  Hiện tượng chất lỏng dâng lên hay hạ xuống trong ống mao dẫn gọi là hiện tượng mao dẫn.  Nguyên nhân: Chất lỏng làm ướt hay không làm ướt chất rắn dùng làm ống. Dó đó xuất hiện áp suất phụ kéo chất lỏng lên hoặc ép chất lỏng xuống. 24 3. HIỆN TƯỢNG MAO DẪN 3.2. HIỆN TƯỢNG MAO DẪN A B Áp suất tại điểm B bằng áp suất khí quyển: B 0p p Áp suất tại điểm A gồm áp suất khí quyển, áp suất thủy tĩnh, và áp suất phụ: A 0 B 0p p gh p p p      p gh p 0 h g          R r r 2 2 cos R p cos R r            2 cos h r g     Công thức Jurin pA 25 3. HIỆN TƯỢNG MAO DẪN 3.2. HIỆN TƯỢNG MAO DẪN Nếu dính ướt hoàn toàn θ = 0: 2 h 0 r g     Nếu không dính ướt θ = 1800: 2 h 0 r g      Chất lỏng dâng lên Chất lỏng tụt xuống 26 Chương 5 CHẤT LỎNG Các bài tập cần làm: (Sách BT Lương Duyên Bình): 11.1, 11.2, 11.3, 11.4, 11.6, 11.7, 11.9, 11.15 HẾT