Bài giảng Vật lý đại cương - Chương 8: Trạng thái lỏng

Chương'8'
Trạng'thái'lỏng'
7/11/15'
Cấu'trúc'trạng'thái'lỏng'
1.  Lực&tương&tác&phân&tử&
7/11/15'
Fđẩy%
Fhút%
Fth+Fhút+Fđẩy%
r0%
r&<&r0,&lực&đẩy&chiếm&ưu&thế&
r&>&r0,&lực&hút&chiếm&ưu&thế&
r&=&r0,&lực&hút&cân&bằng&với&
lực&đẩy&
&
&
Cấu'trúc'trạng'thái'lỏng'
2.  Thế&năng&tương&tác&phân&tử&
7/11/15'
r0%
r&=&r0,&Thế&năng&đạt&giá&trị&cực&
tiểu:&Wt,min%
+&Wđ&&&Trạng&thái&rắn&
+&Wđ&>&Wt,min&=>&&Trạng&thái&khí&
+&Wđ&≈&Wt,min&=>&&Trạng&thái&lỏng&
&
Wt,min
Các'hiện'tượng'mặt'ngoài'của'chất'lỏng'
1.  Áp&suất&phân&tử&
!  Các&phân&tử&chỉ&tương&tác&với&nhau&ở&khoảng&cách&
nhỏ&hơn&r&=&10Z9&m.&Khoảng&cách&này&gọi&là&bán&kính&
tác&dụng&của&các&phân&tử.&Mặt&cầu&bán&kính&r&bao&
quanh&phân&tử&gọi&là&mặt&cầu&tương&tác.&
!  Với&các&phân&tử&nằm&trong&lòng&chất&lỏng,&mặt&cầu&
tương&tác&chìm&hoàn&toàn&trong&chất&lỏng&nên&tổng&
hợp&lực&tác&dụng&lên&phân&tử&bằng&không.&
7/11/15'
Fth = 0
Các'hiện'tượng'mặt'ngoài'của'chất'lỏng'
1.  Áp&suất&phân&tử&
!  Với&các&phân&tử&nằm&gần&mặt&thoáng,&mặt&cầu&tương&
tác&không&chìm&hoàn&toàn&trong&chất&lỏng&nên&tổng&
hợp&lực&tác&dụng&lên&phân&tử&khác&không&hướng&vào&
lòng&chất&lỏng.&
!  “Lực hút mà các phân tử phía trong tác dụng lên các 
phân tử nằm gần bề mặt gây ra áp lực nén lên khối chất 
lỏng tạo ra một áp suất gọi là áp suất phân tử”. 
7/11/15'
Fth = 0
Fth ≠ 0Fth =max
Các'hiện'tượng'mặt'ngoài'của'chất'lỏng'
2.  Năng&lượng&mặt&ngoài&
!  Dưới&tác&dụng&của&áp&suất&phân&tử,&nếu&muốn&đưa&
một&phât&tử&chất&lỏng&ở&lớp&trong&ra&mặt&thoáng&thì&
ta&phải&cung&cấp&cho&nó&một&năng&lượng&nhất&định&để&
thắng&lực&hút&của&các&phân&tử&phía&trong&(hay&nói&
cách&khác,&để&thắng&áp&suất&phân&tử).&
!  Vì&thế&ta&nói&rằng&các&phân&tử&nằm&gần&mặt&thoáng&có&
một&thế&năng&nhất&định&gây&ra&bởi&lực&hút&của&các&
phân&tử&phía&trong.&Thế&năng&này&được&gọi&là&năng&
lượng&mặt&ngoài&của&chất&lỏng.&
7/11/15'
ΔE = σ ⋅ ΔS
σ&(N/m)&được&gọi&là&hệ&số&sức&căng&mặt&ngoài&
Các'hiện'tượng'mặt'ngoài'của'chất'lỏng'
3.  Hiện&tượng&căng&mặt&ngoài&của&chất&lỏng&
!  Mọi&vật&luôn&có&xu&hướng&tồn&tại&ở&trạng&thái&có&thế&
năng&cực&tiểu.&
!  Vì&thế&năng&mặt&ngoài&của&chất&lỏng&tỉ&lệ&thuận&với&
diện&tích&mặt&ngoài&nên&chất&lỏng&luôn&có&xu&hướng&
căng&mặt&ngoài&làm&cho&diện&tích&mặt&ngoài&nhỏ&nhất.&
!  Hiện&tượng&mặt&ngoài&chất&lỏng&luôn&căng&ra&sao&cho&
diện&tích&mặt&ngoài&nhỏ&nhất&gọi&là&hiện&tượng&căng&
mặt&ngoài&của&chất&lỏng&
7/11/15'
ΔE = σ ⋅ ΔS
Các'hiện'tượng'mặt'ngoài'của'chất'lỏng'
4.  Lực&căng&mặt&ngoài&
!  Thí&nghiệm&với&màng&xà&phòng:&Ta&tưởng&tượng&có&
một&khung&hình&chữ&nhật,&có&thanh&nằm&ngang&có&thể&
di&chuyển&tự&do&trên&khung&này.&
!  Nhúng&toàn&bộ&khung&hình&chữ&nhật&vào&nước&xà&
phòng&đậm&đặc,&thành&nằm&ngang&không&di&chuyển.&
Nhắc&khung&hình&chữ&nhật&ra&khỏi&nước&xà&phòng&
màng&xà&phòng&trong&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
khung&hình&chữ&nhật&có&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
xu&hướng&co&lại&để&giảm&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
thiểu&thế&năng&mặt&ngoài,&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
kéo&thanh&nằm&ngang&di&chuyển.&
7/11/15'
FT
L
Màng'xà'phòng'
Δx
Các'hiện'tượng'mặt'ngoài'của'chất'lỏng'
4.  Lực&căng&mặt&ngoài&
!  Để&giữ&nguyên&hình&dạng&mặt&ngoài&ta&phải&tác&dụng&
lên&thanh&nằm&ngang&một&lực&hướng&từ&trái&sang&
phải&nhằm&giữ&cho&thanh&nằm&ngang&không&di&
chuyển.&Lực&này&phải&cân&bằng&nhưng&ngược&hướng&
với&sức&căng&mặt&ngoài&của&chất&lỏng.&
!  Giả&thiết&dưới&tác&dụng&của&lực&F,&thanh&nằm&ngang&
dich&chuyển&một&đoạn&Δx,&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
khi&đó&diện&tích&của&màng&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
xà&phòng&tăng&lên&một&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
lượng&ΔS&=&LΔx&làm&cho&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
năng&lượng&mặt&ngoài&tăng&theo&
7/11/15'
FT
L
Màng'xà'phòng'
Δx
Các'hiện'tượng'mặt'ngoài'của'chất'lỏng'
4.  Lực&căng&mặt&ngoài&
!  Công&do&lực&F&thực&hiện&là:&
!  Công&này&làm&tăng&năng&lượng&mặt&ngoài&của&màng&
xà&phòng,&do&đó:&
7/11/15'
A = F ⋅ Δx
A = F ⋅ Δx = ΔE = σL ⋅ Δx
F = σL
Lực&căng&mặt&ngoài&của&chất&
lỏng&tỉ&lệ&thuận&với&chu&vi&
mặt&ngoài&của&chất&lỏng!&
FT
L
Màng'xà'phòng'
Δx
Các'hiện'tượng'mặt'ngoài'của'chất'lỏng'
5.  Dạng&mặt&ngoài&ở&gần&thành&bình&
!  Phân&tử&chất&lỏng&ở&vị&trí&P&sẽ&chịu&tác&dụng&của&lực&
hút&FL&hướng&về&tâm&của&khối&chất&lỏng&do&các&phân&
tử&khác&tác&dụng&lên&và&lực&FTB&do&lực&hút&của&các&
phân&tử&cấu&tạo&lên&thành&bình&tác&dụng.&
7/11/15'
P
FL
FTB
FTH
θ
θ&gọi&là&góc&làm&ướt&
Các'hiện'tượng'mặt'ngoài'của'chất'lỏng'
5.  Dạng&mặt&ngoài&ở&gần&thành&bình&
!  Nếu&tổng&hợp&các&lực&này&FTH&là&một&lực&hút&kéo&phân&
tử&về&phía&thành&bình&thì&hình&dạng&mặt&ngoài&của&
chất&lỏng&có&dạng&mặt&cong&lõm.&
7/11/15'
P
FL
FTB
FTH
θ
θ&gọi&là&góc&làm&ướt&
Các'hiện'tượng'mặt'ngoài'của'chất'lỏng'
5.  Dạng&mặt&ngoài&ở&gần&thành&bình&
!  Nếu&lực&tổng&FTH&có&phương&hướng&vào&trong&chất&
lỏng&thì&các&phân&tử&chất&lỏng&sẽ&bị&kéo&vào&trong&
chất&lỏng,&kết&quả&là&mặt&thoáng&của&chất&lỏng&ở&gần&
thành&bình&sẽ&có&dạng&mặt&cong&lồi.&
7/11/15'
Chất&lỏng&không&
làm&ướt&thành&bình&
P
FL
FTB
FTHθ
Chất&lỏng&làm&
ướt&thành&bình&
P
FL
FTB
FTH
θ
θ&gọi&là&góc&làm&ướt&
Hiện'tượng'mao'dẫn'
1.  Hiện&tượng&
!  Nhúng&một&ống&có&đường&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
kính&nhỏ&mao&dẫn&thông&hai&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
dầu&vao&trong&chất&lỏng,&khi&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
đó&dưới&tác&dụng&của&thành&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
phần&hướng&theo&phương&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
thẳng&đứng&của&lực&căng&mặt&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
ngoài,&cột&chất&lỏng&trong&ống&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
dâng&lên&hay&hạ&xuống.&
!  Hiện&tượng&này&gọi&là&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
“hiện'tượng'mao'dẫn”'
7/11/15'
FF θθ
h
FF
h
Hiện'tượng'mao'dẫn'
2.  Áp&suất&phụ&dưới&mặt&cong&(mặt&khum)&
!  Do&hiện&tượng&dính&ướt&và&không&dính&ướt,&mặt&
ngoài&của&chất&lỏng&đựng&trong&bình&luôn&có&dạng&
mặt&khum&
&
!  Xét&một&mặt&khum&lồi&
!  Xét&một&phần&tử&&&&&&trên&chu&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
vi&của&nó,&chịu&tác&dụng&của&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
lực&căng&
!  Phân&tích&&&&&&&thành&2&thành&phần&&&&&&&&và&&&&&&&&có&độ&lớn&
7/11/15'
r
R
Δℓ Δℓ
Δ
!
F
Δ
!
F2
Δ
!
F1
θ θΔℓ
Δ
!
F
Δ
!
F Δ
!
F1 Δ
!
F2
ΔF1 = ΔF sinθ và ΔF2 = ΔF cosθ
Hiện'tượng'mao'dẫn'
2.  Áp&suất&phụ&dưới&mặt&cong&(mặt&khum)&
!  &&&&&&&hướng&theo&phương&ngang&nên&không&gây&ra&áp&
lực&lên&mặt&chất&lỏng,&chỉ&có&&&&&&&&gây&ra&áp&suất&phụ&
nén&lên&mặt&chất&lỏng&
!  Tổng&hợp&lực&
!  Áp&suất&phụ&dưới&mặt&khum&
7/11/15'
r
R
Δℓ Δℓ
Δ
!
F
Δ
!
F2
Δ
!
F1
θ θ
Δ
!
F1
Δ
!
F2
F = ΔF1∑ = ΔF sinθ∑
= σ ⋅ Δℓ ⋅ r
R
∑ = σr
R
Δℓ∑
=
σr
R
⋅2πr =
2σ
R
⋅πr 2
p =
F
S
=
2σ
R
⋅
πr 2
πr 2
=
2σ
R
p = −
2σ
R
Mặt&khum&lõm&=>&
Hiện'tượng'mao'dẫn'
3.  Chiều&cao&của&cột&chất&lỏng&dâng&lên&(hay&hạ&
xuống)&trong&ống&mao&dẫn&
!  Xét&hai&điểm&M&và&N&trên&cùng&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
một&độ&cao&(hình&vẽ)&
!  Áp&suất&tại&điểm&N&là&áp&suất&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
khí&quyển.&
!  Điểm&M&vừa&chịu&áp&suất&khí&quyển,&áp&suất&tĩnh&của&
cột&chất&lỏng&có&chiều&cao&h,&đồng&thời&nó&còn&chịu&áp&
suất&phụ&p&của&mặt&cong&của&chất&lỏng&(trong&trường&
hợp&này&do&p&hướng&lên&trên&nên&p&<&0)&
7/11/15'
θ
R
θ
r
M N
h
pp
pM = p0 + ρgh + p
pN = p0
Hiện'tượng'mao'dẫn'
3.  Chiều&cao&của&cột&chất&lỏng&dâng&lên&(hay&hạ&
xuống)&trong&ống&mao&dẫn&
!  Vì&M&và&N&nằm&ở&cùng&độ&cao&
!  Mặt&khác&
!  Nếu&ống&mao&quản&là&một&hình&trụ&bán&kính&r&thì&mặt&
thoáng&có&dạng&chỏm&cầu&bán&kính&R&
7/11/15'
pM = pN ⇒ p0 = p0 + ρgh + p
⇒ p = −ρgh ⇒ h = −
p
ρg
p = −
2σ
R
⇒ h =
2σ
ρRg
R =
r
cosθ
⇒ h =
2σ cosθ
ρrg
θ
R
θ
r
M N
h
pp
Hiện'tượng'mao'dẫn'
3.  Chiều&cao&của&cột&chất&lỏng&dâng&lên&(hay&hạ&
xuống)&trong&ống&mao&dẫn&
!  Vậy&
!  Nếu&
7/11/15'
h =
2σ cosθ
ρrg
0° 0 ⇒ h > 0
90° < θ <180°⇒ cosθ < 0 ⇒ h < 0
θ
R
θ
r
M N
h
pp
Hết'chương'8'
7/11/15'