Bài giảng vật lý đại cương 2 chương 5 GV nguyễn như xuân

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
o
e


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 r
o
đủ lớn
có thể bỏ qua lực hút giữa các phân tử. Khoảng cách r
o
này được gọi
là bán kính tương tác, còn mặt cầu có bán kính r
o
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
Fl

  
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 rk
Fl


.
rl rl
Fl


.
lk lk
Fl


.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 :
1
rk 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 rk
Fl


.
rl rl
Fl


.
lk lk
Fl


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 rk
Fl


.
rl rl
Fl


.
lk lk
Fl


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 rk
Fl


.
rl rl
Fl


.
lk lk

Fl


.
rk rk
Fl


.
rl rl
Fl


.
lk lk
Fl




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

R
1
, R
2
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
