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 (q trình đơng đặc), từ chất lỏng sang chất khí(q
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 khơng 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.
Thời gian dao
động trung bình
của một phân tử
quanh VTCB

   oe

W
kT

Năng lượng dao
động của phân tử.

Chu kì dao động
trung bình của
một phân tử
quanh VTCB


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, cịn 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 khơng

Phân tử nằm ở
lớp mặt ngồi,
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
ngồi lớp bề mặt, cần phải tốn một cơng để chống lại tác dụng của
lực tổng hợp đó. Khi phân tử chất lỏng di chuyển từ bên trong ra gần
mặt thống, động năng của nó giảm đi và biến thành thế năng. Mỗi
phân tử bên trong lớp lân cận mặt thống 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 ngồi của chất lỏng.
E  S
: 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 hồ tan.
S là diện tích mặt ngồi.


- Khi hệ đạt trạng thái cân bằng bền thì thế năng đạt cực tiểu do đó
một giọt chất lỏng khơng chịu tác dụng của các tác nhân bên ngồi sẽ
có dạng sao cho mặt thống của nó có diện tích nhỏ nhất, tức là có
dạng hình cầu.

Tính chất thu nhỏ diện tích bề mặt của chất lỏng.


b. Lực căng mặt ngồi
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 phịng hình chữ nhật. Màng xà
phịng là một khối dẹt dung dịch xà phòng.

A

D

B

C


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 phịng thu bé
diện tích lại

D

C

Để giữ ngun mặt ngoài của chất
lỏng cần tác dụng lên chu vi mặt
ngồi các lực vng góc với đường
chu vi và tiếp tuyến với mặt ngoài
gọi là sức căng mặt ngoài

A

B


-Lực căng (sức căng) mặt ngồi
A
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 vng góc với đường D
chu vi của mặt giới hạn.
+ Có chiều làm thu nhỏ diện
tích của mặt thống
+ Có độ lớn tỷ lệ với chiều dài
l của chu vi đường giới hạn

F  l

B

C

F

F



Các ví dụ về một số hiện tƣợng tạo thành do tác dụng của sức
căng mặt ngồi:

Giọt nước có dạng gần hình cầu .


Trò chơi thổi bong bóng xà phòng.

4. Hiện tƣợng dính ƣớt và khơng dính ƣớt
Quan sát hiện tượng:
+ Nhỏ 1 giọt nước lên
một tấm thuỷ tinh, hiện
tượng xảy ra như thế
nào?
+ Nhỏ 1 giọt thuỷ
ngân lên một tấm
thuỷ tinh, hiện tượng
xảy ra như thế nào?

Giọt nước
chảy lan ra

Giọt thuỷ
ngân thu về
dạng hình cầu
(hơi dẹt)

Kết luận: Nước dính ướt thuỷ tinh và thuỷ ngân khơng
dính ướt thuỷ tinh


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 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 :
Frk  Frl  Flk .cos

Flk  l.lk

 l. rk  l. rl  l. lk .cos

Chất lỏng

Chất khí

Góc  gọi là góc mép (góc bờ)

 rk   rl
cos 
 lk
Góc mép phải thoả mãn :

Frk  l. rk



Frl  l. rl

Chất rắn

 rk   rl
1
 lk

Nếu  rk   rl  lkthì khơng thể có sự cân bằng. Xét 2 trường hợp
+ TH1:  rk   rl  lk
thì với mọi góc  lực của rk cũng lớn
hơn tổng hai lực còn lại. Khi đó chất
lỏng sẽ loang ra vơ hạn trên mặt chất
rắn. Đó là sự dính ướt tồn phần. Trong
trường hợp này góc mép  =0

Flk  l.lk
Frk  l. rk
Frl  l. rl

+ TH2:  rl   rk  lk
thì với mọi góc  lực của rl cũng lớn
hơn tổng hai lực cịn 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 khơng dính
ướt tồn phần. Trong trường hợp này
góc mép  =

Flk  l.lk
Frk  l. rk

Frl  l. rl


Nếu  rk   rl  lkthì có sự cân bằng. Xét 2 trường hợp

+ TH1: cos  0   rk   rl

Flk  l.lk

thì góc  nhọn, đó là sự dính ướt một
Frk  l. rk
phần.


Frl  l. rl

+ TH2: cos  0   rk   rl
thì góc  tù, đó là sự khơng dính ướt
một phần.

Flk  l.lk

Frk  l. rk

Frl  l. rl


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 khơng dính ướt mà mặt ngồi 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, cịn 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 khơng dính ướt


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 cơng thức
tổng qt là :
F 2
p  
S
R
mặt khum có hình dạng bất kỳ thì áp suất phụ
được xác định theo công thức Laplace :
 1
1 

p    

 R1 R2 

R1, R2 hai bán kính cong của giao tuyến của hai
mặt phẳng vng góc với nhau và đi qua pháp
tuyến của mặt thoáng tại điểm khảo sát với mặt
thoáng của chất lỏng.

r

R



2. Hiện tƣợng mao dẫn

a/ Quan sát: Thí nghiệm 1:
Lấy 2 ống thuỷ tinh hở 2 đầu, có đường kính trong rÊt
nhá khác nhau nhúng thẳng đứng vào chậu nước

Nước


+ Thí nghiệm 2:
Lấy 2 ống thuỷ tinh hở 2 đầu, có đường kính trong rất
nhỏ khác nhau nhúng thẳng đứng vào chậu thuỷ ngân.

Thuỷ ngân


* Thí nghiệm 3

-B1: Lấy 2 tấm thuỷ tinh đặt song song hay tạo thành
một khe
heûp
nhỏ.
-B2:
Nhúng
vàorất
một
chậu nước.

2 tấm thuỷ tinh

Nước


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. Cịn với chất khơng dính ướt, mặt khum
có dạng mặt lồi, chất lỏng sẽ hạ xuống.


Công thức Juyranh:

2 cos 
h
gr