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

Nội dung text: Bài giảng Vật lý đại cương - Chương 5: Chất lỏng - Nguyễn Như Xuân

1. HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SƢ BỘ MƠN VẬT LÝ NGUYỄN NHƢ XUÂN VẬT LÝ ĐẠI CƢƠNG 2
2. Chƣơng 5: CHẤT LỎNG  Cấu tạo và các hiện tượng mặt ngồi của chất lỏng.  Hiện tượng mao dẫn .  Bài tập chất lỏng.
3. I. Cấu tạo và các hiện tƣợng mặt ngồi 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 cĩ sự chuyển trạng thái từ chất lỏng sang chất rắn (quá trình đơng đặc), từ chất lỏng sang chất khí(quá trình ngưng tụ). - Ở trạng thái bình thường chất lỏng lại cĩ những tính chất khác thường so với chất rắn và chất khí.
4. 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 luơn luơn 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 khơng gắn bĩ 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 cĩ thể tồn tại ở một VTCB nào đấy sẽ càng lớn khi nhiệt độ chất lỏng càng thấp. Năng lượng dao W động của phân tử. Thời gian dao   e kT o Chu kì dao động động trung bình trung bình của của một phân tử một phân tử quanh VTCB quanh VTCB
5. 2. Áp suất phân tử chất lỏng. -Các phân tử chất lỏng sắp xếp gần nhau để lực hút giữa chúng cĩ cường độ khá lớn. - Lực hút này giảm nhanh theo khoảng cách, khoảng cách ro đủ lớn cĩ thể bỏ qua lực hút giữa các phân tử. Khoảng cách ro này được gọi là bán kính tương tác, cịn mặt cầu cĩ bán kính ro được gọi là mặt cầu tương tác (mặt cầu bảo vệ). Phân tử nằm ở Phân tử nằm sâu lớp mặt ngồi, trong chất lỏng, lực tác dụng vào lực tác dụng vào mỗi phân tử mỗi phân tử hướng vào trong bằng khơng chất lỏng Gây ra áp suất phân tử (nội áp trong PT Vandecvan)
6. 3. Năng lƣợng mặt ngoại và sức căng mặt ngồi của chất lỏng. a. Năng lƣợng mặt ngồi - Muốn đưa một phân tử chất lỏng từ bên trong lịng chất lỏng ra ngồi lớp bề mặt, cần phải tốn một cơng để chống lại tác dụng của lực tổng hợp đĩ. Khi phân tử chất lỏng di chuyển từ bên trong ra gần mặt thống, động năng của nĩ giảm đi và biến thành thế năng. Mỗi phân tử bên trong lớp lân cận mặt thống sẽ cĩ một thế năng bổ sung. Phần năng lượng bổ sung này được gọi là năng lượng bề mặt của chất lỏng. - Năng lượng mặt ngồi tỷ lệ với diện tích mặt ngồi của chất lỏng. E  S : là một hệ số tỷ lệ được gọi là hệ số lực căng mặt ngồi của chất lỏng (N/m), phụ thuộc vào nhiệt độ, các chất hồ tan. S là diện tích mặt ngồi.
7. - Khi hệ đạt trạng thái cân bằng bền thì thế năng đạt cực tiểu do đĩ một giọt chất lỏng khơng chịu tác dụng của các tác nhân bên ngồi sẽ cĩ dạng sao cho mặt thống của nĩ cĩ diện tích nhỏ nhất, tức là cĩ dạng hình cầu. Tính chất thu nhỏ diện tích bề mặt của chất lỏng.
8. b. Lực căng mặt ngồi Thí nghiệm: Dùng một khung hình chữ nhật làm bằng dây thép mảnh cĩ cạnh CD di chuyển dễ dàng dọc theo hai cạnh BC và AD. A B Nhúng thẳng đứng khung này vào nước xà phịng rồi lấy ra nhẹ nhàng ta được một màng xà phịng hình chữ nhật. Màng xà phịng là một khối dẹt dung dịch xà phịng. D C
9. Nếu bây giờ ta nâng khung cho nĩ dần dần D nằm ngang thì sẽ quan A sát thấy thanh CD bị kéo về phía cạnh AB do màng xà phịng thu bé diện tích lại C B Để giữ nguyên mặt ngồi của chất lỏng cần tác dụng lên chu vi mặt ngồi các lực vuơng gĩc với đường chu vi và tiếp tuyến với mặt ngồi gọi là sức căng mặt ngồi
10. -Lực căng (sức căng) mặt ngồi A B cĩ đặc điểm: + Tác dụng lên một chu vi của đường giới hạn. + Cĩ phương: nằm trong mặt phẳng tiếp xúc của mặt chất lỏng và vuơng gĩc với đường D C chu vi của mặt giới hạn. + Cĩ chiều làm thu nhỏ diện tích của mặt thống + Cĩ độ lớn tỷ lệ với chiều dài l của chu vi đường giới hạn F F Fl 
11. Các ví dụ về một số hiện tƣợng tạo thành do tác dụng của sức căng mặt ngồi: Giọt nước cĩ dạng gần hình cầu .
12. Trò chơi thổi bong bóng xà phòng.
13. 4. Hiện tƣợng dính ƣớt và khơng dính ƣớt Quan sát hiện tượng: Giọt nước chảy lan ra + Nhỏ 1 giọt nước lên một tấm thuỷ tinh, hiện tượng xảy ra như thế nào? Giọt thuỷ ngân thu về + Nhỏ 1 giọt thuỷ dạng hình cầu ngân lên một tấm (hơi dẹt) thuỷ tinh, hiện tượng xảy ra như thế nào? Kết luận: Nước dính ướt thuỷ tinh và thuỷ ngân khơng dính ướt thuỷ tinh
14. Xét mặt phân cách của ba chất rắn, lỏng, khí khơng phản ứng hố học với nhau. Đường giới hạn của các chất này sẽ ổn định ứng với cực tiểu của năng lượng tồn phần. Khi đĩ lực tổng hợp tác dụng lên phần tử của đường giới hạn sẽ bị triệt tiêu theo phương mà phần tử đĩ cĩ thể dịch chuyển. Điều kiện cân bằng của đoạn l trên đường giới hạn là : FFFrk rl lk .cos Fllk . lk l. l . l . .cos  rk rl lk Chất khí Chất lỏng Gĩc  gọi là gĩc mép (gĩc bờ) Fl . rk rk  Flrl . rl cos rk rl lk Chất rắn Gĩc mép phải thoả mãn : rk rl 1 lk
15. Nếu rk rl lkthì khơng thể cĩ sự cân bằng. Xét 2 trường hợp + TH1: rk rl lk thì với mọi gĩc  lực của cũng lớn rk Fllk . lk hơn tổng hai lực cịn lại. Khi đĩ chất Flrk . rk lỏng sẽ loang ra vơ hạn trên mặt chất rắn. Đĩ là sự dính ướt tồn phần. Trong Flrl . rl trường hợp này gĩc mép  =0 + TH2: rl rk lk thì với mọi gĩc  lực của rl cũng lớn hơn tổng hai lực cịn lại. Khi đĩ mặt giới hạn chất lỏng với vật rắn sẽ thu lại một điểm, chất lỏng coi như tách khỏi chất rắn. Đĩ là sự khơng dính ướt tồn phần. Trong trường hợp này gĩc mép  =
16. Nếu rk rl lkthì cĩ sự cân bằng. Xét 2 trường hợp + TH1: cos 0 rk rl thì gĩc  nhọn, đĩ là sự dính ướt một phần.  + TH2: cos 0 rk rl thì gĩc  tù, đĩ là sự khơng dính ướt Fllk . lk một phần. Flrl . rl Flrk . rk
17. Ứng dụng của sự dính ướt: Loại bẩn quặng ra khỏi quặng Nước pha dầu Bẩn quặng
18. II. Hiện tƣợng mao dẫn 1. Áp suất phụ dƣới mặt khum Do hiện tượng dính ướt hay khơng dính ướt mà mặt ngồi của chất lỏng đựng trong bình thường cĩ 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, cịn thuỷ ngân trong bình thuỷ tinh thì mặt khum lại lồi lên. Mặt khum lồi lên là do lực căng cĩ tác dụng ép chất lỏng xuống, cịn lõm xuống là do lực căng gây ra áp suất phụ hướng lên trên. Trường hợp dính ướt Trường hợp khơng dính ướt
19. Áp suất phụ : Với quy ước về dấu của bán kính r  mặt cầu : là dương khi hướng về R phía chất lỏng, là âm khi hướng ra  khỏi mặt chất lỏng, thì cơng thức tổng quát là : F 2 p S R mặt khum cĩ hình dạng bất kỳ thì áp suất phụ được xác định theo cơng thức Laplace : 1 1 p  R1 R2 R1, R2 hai bán kính cong của giao tuyến của hai mặt phẳng vuơng gĩc với nhau và đi qua pháp tuyến của mặt thống tại điểm khảo sát với mặt thống của chất lỏng.
20. 2. Hiện tƣợng mao dẫn a/ Quan sát: Thí nghiệm 1: Lấy 2 ống thuỷ tinh hở 2 đầu, cĩ đường kính trong rÊt nhá khác nhau nhúng thẳng đứng vào chậu nước Nước
21. + Thí nghiệm 2: Lấy 2 ống thuỷ tinh hở 2 đầu, cĩ đường kính trong rất nhỏ khác nhau nhúng thẳng đứng vào chậu thuỷ ngân. Thuỷ ngân
22. * Thí nghiệm 3 -B1: Lấy 2 tấm thuỷ tinh đặt song song hay tạo thành -mộtB2: kheNhúng hẻp vào rất một nhỏ chậu. nước. 2 tấm thuỷ tinh Nước
23. KL: Hiện tượng mao dẫn là hiện tượng chất lỏng dâng lên hay hạ xuống trong những bình chứa cĩ 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. + Cịn 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 cĩ dạng mặt lõm, chất lỏng sẽ dâng lên. Cịn với chất khơng dính ướt, mặt khum cĩ dạng mặt lồi, chất lỏng sẽ hạ xuống.
24. Cơng thức Juyranh: 2 cos h gr
25. Ý nghĩa của hiện tượng mao dẫn: - Giấy thấm hút mực - Bấc đèn - Rễ cây hút nước
26. ƠN TẬP Lý thuyết: - Hiện tượng căng mặt ngoại - Hiện tượng mao dẫn của chất lỏng. - Cơng thức Jurin Các bài tập tối thiểu yêu cầu sinh viên ơn tập: 11.1, 11.2, 11.3, 11.4, 11.6, 11.7, 11.9, 11.15