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

Chương 5

CHẤT LỎNG

Nguyễn Xuân Thấu -BMVL

1

HÀ NỘI

2016

CHƯƠNG 5. CHẤT LỎNG

NỘI DUNG CHÍNH

 CẤU TẠO VÀ CHUYỂN ĐỘNG PHÂN TỬ CỦA CHẤT LỎNG

 CÁC HIỆN TƯỢNG MẶT NGOÀI CỦA CHẤT LỎNG

2

1. CẤU TẠO VÀ CHUYỂN ĐỘNG PHÂN TỬ CỦA CHẤT LỎNG

1.1. TRẠNG THÁI LỎNG CỦA VẬT CHẤT

KHÍ

RẮN

LỎNG

3

 Trạng thái lỏng là trạng thái trung gian giữa trạng thái khí và rắn

1. CẤU TẠO VÀ CHUYỂN ĐỘNG PHÂN TỬ CỦA CHẤT LỎNG

1.1. TRẠNG THÁI LỎNG CỦA VẬT CHẤT

 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.

4

1. CẤU TẠO VÀ CHUYỂN ĐỘNG PHÂN TỬ CỦA CHẤT LỎNG

1.2. CẤU TẠO VÀ CHUYỂN ĐỘNG PHÂN TỬ CỦA CHẤT LỎNG

 Đối với chất lỏng, năng lượng chuyển động nhiệt:

W_® kT  W

tmin

 Vì thế nên chất lỏng vừa có thể dao động quanh vị trí cân

bằng bền r_0,vừa có thể dịch chuyển trong cả khối chất lỏng.

5

1. CẤU TẠO VÀ CHUYỂN ĐỘNG PHÂN TỬ CỦA CHẤT LỎNG

1.2. CẤU TẠO VÀ CHUYỂN ĐỘNG PHÂN TỬ CỦA CHẤT LỎNG

 Thời gian dao động trung bình quanh vị trí cân bằng của phân

tử chất lỏng

W

  ₀e^kT

₀

- Chu kỳ dao động trung bình của phân tử quanh vị trí

cân bằng

W – Năng lượng hoạt động của phân tử

6

♣ Với nước ở nhiệt độ thường

₀10^13s

 10^11s

 Như vậy cứ dao động khoảng 100 chu kỳ, phân tử nước lại

dịch đi chỗ khác!!!

2. 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.

7

 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.

2. CÁC HIỆN TƯỢNG MẶT NGOÀI CỦA CHẤT LỎNG

2.1. ÁP SUẤT PHÂN TỬ

8

2. CÁC HIỆN TƯỢNG MẶT NGOÀI CỦA CHẤT LỎNG

2.2. NĂNG LƯỢNG MẶT NGOÀI VÀ SỨC CĂNG MẶT NGOÀI

 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.

 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.

9

 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

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.

Trọng lực làm giọt

nước bị dẹt

Lực đẩy Acsimed cân

bằng trọng lực, giọt

dầu dạng hình cầu

10

 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.

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!

11

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 là…nhỏ nhất.

12

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

13

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.l.x

 Công thực hiện bởi lực F là:

14

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.x  F  2l

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

Nước

σ (N/m)

0,073

0,540

0,065

0,017

15

Thủy ngân

Glixerin

Ete

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 nhỏ…là do tác dụng của sức căng mặt ngoài. Nước mưa không

lọt qua chiếc ô được cũng do hiện tượng sức căng mặt ngoài…

16

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.

17

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

cos 

_l,k

18

2. CÁC HIỆN TƯỢNG MẶT NGOÀI CỦA CHẤT LỎNG

2.3. HIỆN TƯỢNG LÀM ƯỚT VÀ KHÔNG LÀM ƯỚT

  0⁰

 180⁰

0   180⁰

19

Không dính ướt

Dính ướt

Dính ướt hoàn toàn

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