Khóa luận tốt nghiệp đại học: Hiện tượng căng mặt ngoài của chất lỏng

Chia sẻ: Minh Nhân | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:46

Thêm vào BST

Báo xấu

44
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của đề tài nhằm giúp học sinh nắm vững kiến thức cơ bản về hiện tượng căng mặt ngoài của chất lỏng, phân loại và giải các bài toán của phần này, biết vận dụng các kiến thức vào thực tiễn kĩ thuật, thấy được tác dụng môn học với thực tế.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp đại học: Hiện tượng căng mặt ngoài của chất lỏng

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 HO V T NGUYỄN THỊ HUYỀN HIỆN TƢỢNG CĂNG MẶT NGOÀI CỦ CHẤT ỎNG HÓ U N TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Vật lý đại cƣơng HÀ NỘI - 2017
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 HO V T NGUYỄN THỊ HUYỀN HIỆN TƢỢNG CĂNG MẶT NGOÀI CỦ CHẤT ỎNG HÓ U N TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Vật lý đại cƣơng Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Đào Công Nghinh HÀ NỘI - 2017
ỜI CẢM ƠN Khóa luận tốt nghiệp với đề tài: “ Hiện tượng căng mặt ngoài của chất lỏng” đã hoàn thành với sự nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ tận tình, chu đáo của thầy giáo- TS. Đào Công Nghinh cùng các thầy cô trong tổ Vật lý đại cƣơng khoa Vật lý trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội 2. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quí báu của quí thầy cô, đồng thời xin chân thành cảm ơn thƣ viện trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội 2 đã tạo điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành đề tài này. Trong quá trình nghiên cứu, bản thân là một sinh viên bƣớc đầu làm quen với phƣơng pháp nghiên cứu khoa học nên không tránh khỏi thiếu sót và hạn chế. Vì vậy tôi rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp của quí thầy cô và các bạn để đề tài này đƣợc hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 19 tháng 4 năm 2017 Sinh viên Nguyễn Thị Huyền
ỜI C M ĐO N Tôi xin cam đoan những nội dung tôi đã trình bày trong khóa luận tốt nghiệp với đề tài: “Hiện tượng căng mặt ngoài của chất lỏng” là kết quả nghiên cứu của bản thân tôi với sự hƣớng dẫn của thầy giáo - TS. Đào Công Nghinh. Những nội dung này không trùng với bất kì kết quả nghiên cứu của các tác giả khác. Hà Nội, ngày 19 tháng 4 năm 2017 Sinh viên Nguyễn Thị Huyền
MỤC ỤC MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1 1. ý do chọn đề tài ......................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu ................................................................................... 2 3. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu .................................................................. 2 4. Nhiệm vụ nghiên cứu .................................................................................. 2 5. Phƣơng pháp nghiên cứu............................................................................ 2 6.Cấu trúc khóa luận....................................................................................... 2 NỘI DUNG........................................................................................................... 3 Chƣơng 1. CƠ SỞ THUYẾT ....................................................................... 3 1.1. Tìm hiểu sơ lƣợc cấu trúc và tính chất của chất lỏng ........................... 3 1.1.1. Tính chất của chất lỏng ..................................................................... 3 1.1.2 Cấu trúc của chất lỏng ........................................................................ 3 1.2. Hiện tƣợng căng mặt ngoài của chất lỏng.............................................. 4 1.2.1. Hình cầu tác dụng phân tử ................................................................ 4 1.2.2. Lực căng mặt ngoài của chất lỏng .................................................... 5 1.2.2.1. Định nghĩa .................................................................................... 5 1.2.2.2. Năng lượng tự do ......................................................................... 6 1.2.3. Suất căng mặt ngoài ........................................................................... 7 1.2.4 Một số hiện tượng căng mặt ngoài ..................................................... 7 1.2.4.1 Sự tạo thành giọt khi chất lỏng chảy ra khỏi một ống nhỏ ........... 7 1.2.4.2. Màng xà phòng ............................................................................. 8 1.3. Hiện tƣợng dính ƣớt, không dính ƣớt .................................................... 8 1.3.1. Hiện tượng dính ướt .......................................................................... 9 1.3.2 Hiện tượng không dính ướt .............................................................. 10 1.3.3. Giải thích một số hiện tượng thực tế ............................................... 11 1.4 Áp suất phụ gây bởi mặt khum chất lỏng ............................................. 12 1.4.1 Định nghĩa áp suất phụ ................................................................... 12 1.4.2. Biểu thức áp suất phụ ..................................................................... 12
1.5. Hiện tƣợng mao dẫn............................................................................... 14 Chƣơng 2. MỘT SỐ DẠNG BÀI T P VỀ HIỆN TƢỢNG CĂNG MẶT NGOÀI CỦ CHẤT ỎNG ............................................................................ 18 2.1. Phân loại và phƣơng pháp giải ............................................................. 18 2.1.1. Dạng 1:Tính lực căng bề mặt của chất lỏng .................................. 18 2.1.1.1. Phương pháp giải ...................................................................... 18 2.1.1.2. Bài tập vận dụng ....................................................................... 18 2.1.2. Dạng 2:Tính năng lượng mặt ngoài của chất lỏng ........................ 19 2.1.2.1. Phương pháp giải ....................................................................... 19 2.1.2.2. Bài tập vận dụng ........................................................................ 20 2.1.3. Dạng 3: Bài toán về hiện tượng nhỏ giọt của chất lỏng ................ 21 2.1.3.1. Phương pháp giải ....................................................................... 21 2.1.3.2. Bài tập vận dụng ........................................................................ 21 2.1.4. Dạng 4:Bài toán về áp suất phụ và công thức laplace ................... 22 2.1.4.1. Phương pháp giải ....................................................................... 22 2.1.4.2. Bài tập vận dụng ........................................................................ 23 2.1.5. Dạng 5: Bài toán về hiện tượng mao dẫn ....................................... 24 2.1.5.1. Phương pháp giải ....................................................................... 24 2.1.5.2. Bài tập vận dụng ........................................................................ 24 2.2. Bài tập tổng hợp ..................................................................................... 26 ẾT U N ........................................................................................................ 39 TÀI IỆU TH M HẢO ................................................................................ 40
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Vật lý phân tử và nhiệt học có nhiệm vụ tìm hiểu cấu tạo phân tử của vật chất và vận dụng những hiểu biết đó để giải thích những tính chất vĩ mô của vật chất liên quan đến chuyển động của phân tử.Vật chất có thể tồn tại ở một trong ba trạng thái: rắn, lỏng, khí. Vật lý phân tử và nhiệt học nghiên cứu từng trạng thái của vật chất, ở mỗi dạng khác nhau vật chất có những tính chất đặc trƣng riêng. Và chất lỏng có những tính chất đặc biệt – đó là hiện tƣợng căng mặt ngoài. Những tính chất này giúp ta giải thích đƣợc nhiều hiện tƣợng trong đời sống kĩ thuật nhƣ: tại sao con nhện có thể đứng yên trên mặt nƣớc mà không bị chìm? Tại sao bề mặt nƣớc ở chỗ tiếp xúc với thành bình hoặc thành ống không phẳng ngang, mà lại bị uốn cong thành mặt khum? Tại sao mức nƣớc bên trong các ống nhỏ lại dâng cao hơn mặt nƣớc bên ngoài ống? Nhận thấy rằng nghiên cứu về chất lỏng có ý nghĩa quan trọng trong việc giải thích các hiện tƣợng trong cuộc sống và giải các bài tập. Đặc biệt, các bài toán về chất lỏng là các bài toán hay, không thể thiếu trong chƣơng trình vật lý đại cƣơng, gắn liền với thực tiễn. Vì thế, tôi quyết định chọn đề tài nghiên cứu “hiện tƣợng căng mặt ngoài của chất lỏng”. Với mục đích tìm hiểu sâu hơn về chất lỏng, phân loại và hệ thống các kiến thức về chất lỏng, tạo niềm say mê, yêu thích khi giải các bài tập này. Từ đó có thể vận dụng kiến thức vào thực tiễn, nâng cao trình độ khoa học của bản thân, bƣớc đầu làm quen với nghiên cứu khoa học. 1
2. Mục đích nghiên cứu Nắm vững kiến thức cơ bản về hiện tƣợng căng mặt ngoài của chất lỏng, phân loại và giải các bài toán của phần này, biết vận dụng các kiến thức vào thực tiễn kĩ thuật,thấy đƣợc tác dụng môn học với thực tế. 3. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng: các bài tập về hiện tƣợng căng mặt ngoài chất lỏng. - Phạm vi: các vấn đề về hiện tƣợng căng mặt ngoài của chất lỏng. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu Hệ thống hóa lý thuyết và bài tập, phân loại các dạng bài tập và phƣơng pháp giải từng loại. Vận dụng kiến thức để giải thích một số hiện tƣợng trong cuộc sống. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu - Đọc và nghiên cứu các tài liệu. - Sƣu tầm, phân loại và giải các bài tập về hiện tƣợng căng mặt ngoài của chất lỏng. 6.Cấu trúc khóa luận Chƣơng 1. CƠ SỞ THUYẾT Chƣơng 2. MỘT SỐ DẠNG BÀI T P VỀ HIỆN TƢỢNG CĂNG MẶT NGOÀI CỦ CHẤT ỎNG ẾT U N 2
NỘI DUNG Chƣơng 1 CƠ SỞ THUYẾT 1.1. Tìm hiểu sơ lƣợc cấu trúc và tính chất của chất lỏng 1.1.1. Tính chất của chất lỏng Chất lỏng là trạng thái trung gian giữa trạng thái khí và trạng thái rắn. Nén khí ở áp suất cao làm khí hóa lỏng. Giảm nhiệt độ, làm chất lỏng hóa 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 ngƣng tụ). Ở nhiệt độ đông đặc thì chất lỏng có nhiều tính chất giống chất rắn hơn: chẳng hạn nhiệt dung riêng của chất lỏng ở nhiệt độ gần nhiệt độ đông đặc có giá trị gần bằng nhiệt dung riêng của rắn tƣơng ứng. 1.1.2 Cấu trúc của chất lỏng So với chất khí, khoảng cách giữa các phân tử chất lỏng bé hơn nhiều. Vậy trong chất lỏng phải tồn tại áp suất nội tại nhƣ trong chất khí thực. Vì thể tích riêng của chất lỏng nhỏ hơn hàng nghìn lần so với chất khí, nên giá trị áp suất nội tại của chất lỏng rất lớn. Ví dụ: áp suất nội tại của nƣớc vào bậc pi = 17.000 at. Áp suất nội tại là do tƣơng tác phân tử nên ta còn gọi là áp suất phân tử. So với chất rắn thì mỗi phân tử chất lỏng cũng dao động quanh một vị trí cân bằng nhƣng chúng không gắn bó vĩnh viễn với vị trí cân bằng ấy nhƣ chất rắn, mà thình thoảng chúng thay đổi vị trí cân bằng, bằng cách trƣợt đi một đoạn vào khoảng kích thƣớc phân tử. Khoảng thời gian mà mỗi phân tử có thể tồn tại ở một vị trí cân bằng nào đấy sẽ càng lớn nếu nhiệt độ chất lỏng càng thấp. Trong đồ thị diễn tả là thế năng tƣơng tác giữa hai phân tử, ta có đƣờng năng lƣợng toàn phần nằm dƣới miệng hố thế năng (gần miệng hố). Phân tử B 3
ở trong hố thế năng của phân tử A. phân tử B thực hiện dao động quanh một vị trí cân bằng trong hố thế. Sau một thời gian nào đó, phân tử B tƣơng tác với các phân tử khác nữa, thu thêm năng lƣợng, có động năng lớn hơn trƣớc, vƣợt hố thế này để rơi vào hố thế của một phân tử khác. 1.2. Hiện tƣợng căng mặt ngoài của chất lỏng 1.2.1. Hình cầu tác dụng phân tử Ðồ thị biểu diễn lực tƣơng tác tổng hợp của hai phân tử nhƣ sau: (hình vẽ) tƣởng tƣợng tách riêng một phân tử A nào đó trong khối chất lỏng và xét tác dụng các phân tử khác lên nó. Khi r > r0 thì lực tác dụng tổng hợp là lực hút. Lực này giảm khi r tăng. Lấy giá trị r, bắt đầu từ đó lực tƣơng tác phân tử có thể bỏ qua. Hình cầu tâm A, bán kính bằng r với r đƣợc gọi là bán kính tác dụng phân tử, còn hình cầu ấy gọi là hình cầu tác dụng phân tử. - Nếu phân tử A nằm sâu trong lòng chất lỏng, lực tƣơng tác của các phân tử ở trong hình cầu tác dụng của A lên A hƣớng theo mọi phía, coi nhƣ cân bằng nhau lên lực tƣơng tác tổng hợp lên A bằng 0. - Nếu A ở gần mặt thoáng: tâm A cách mặt thoáng khoảng d > r. Trên mặt thoáng là hơi của chất lỏng, số lƣợng phân tử ở thể hơi trong hình cầu tác dụng của A là ít. Lực tác dụng tổng hợp lên A không bằng 0: ⃗ hƣớng từ mặt thoáng vào lòng chất lỏng. Lực ⃗ càng lớn nếu phân tử A càng ở gần mặt thoáng, tuy nhiên ⃗ không làm cho A di chuyển vào lòng chất lỏng. A chỉ di chuyển quanh vị trí cân bằng của nó vì lực đẩy của các phân tử khác lên A. Nếu A tiến quá gần chúng, chúng đẩy A ra.Đối với các phân tử khác nằm trong lớp mặt ngoài có d = r cũng chịu tác động của những lực ⃗ hƣớng vào trong khối lỏng. 4
1.2.2. Lực căng mặt ngoài của chất lỏng 1.2.2.1. Định nghĩa Các thành phần lực tác dụng lên A theo phƣơng nằm ngang (tiếp tuyến) với mặt thoáng có chiều ngƣợc nhau và độ lớn bằng nhau. ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ . Khác với lực ⃗ đã nhận xét ở trên, ⃗⃗⃗⃗ và ⃗⃗⃗⃗ càng giảm khi phân tử A càng gần mặt thoáng. Nếu 1 phía của A không còn có chất lỏng nữa, thì thành phần lực về phía ấy bằng 0. A sẽ chuyển động ngang trên mặt thoáng. Ta tƣởng tƣợng các phân tử nằm trong lớp mặt ngoài, tạo thành đoạn cong nguyên tố thì tổng hợp tất cả các lực thành tác dụng lên các phần này theo phƣơng tiếp tuyến với mặt phân cách và về một phía nhất định của đoạn cong , đƣợc gọi là lực căng mặt ngoài. Kí hiệu là . Nếu đủ nhỏ, thì đƣợc coi nhƣ vuông góc với 5
Rõ ràng dƣới tác dụng của lực căng mặt ngoài , lớp mặt ngoài luôn luôn muốn co lại để cho diện tích mặt ngoài nhỏ nhất. Tính chất này làm cho mặt ngoài của chất lỏng có tính chất nhƣ một màng cao su bị căng, (luôn có xu hƣớng co lại) vì vậy lực nói trên đƣợc gọi là lực căng mặt ngoài. 1.2.2.2. Năng lượng tự do Ta cũng có thể đƣa ra khái niệm lực căng mặt ngoài, dựa theo quan điểm năng lƣợng. Biết rằng các phân tử ở lớp mặt ngoài, với bề dầy r, chịu một lực hƣớng vào trong lòng chất lỏng. Vì thế, việc di chuyển một phân tử trong lòng chất lỏng ra lớp mặt ngoài ấy, đòi hỏi một công để thắng lực cản này. Trong trƣờng hợp chất lỏng không trao đổi năng lƣợng với ngoại vật, công này đƣợc thực hiện nhờ sự giảm động năng và tăng thế năng của phân tử, giống nhƣ một vật di chuyển trong trọng trƣờng, từ thấp lên cao. Ngƣợc lại khi phân tử đi từ lớp ngoài vào trong lòng chất lỏng, nó phải thực hiện một công do sự giảm thế năng để chuyển thành động năng của phân 6
tử. Lý luận này cho ta thấy rằng mỗi phân tử ở lớp mặt ngoài khác các phân tử ở trong lòng chất lỏng là nó có một thế năng phụ (tiềm tàng). Thế năng phụ tiềm tàng của các phân tử ở lớp mặt ngoài chất lỏng gọi là năng lƣợng tự do. Khi khối chất lỏng giảm diện tích mặt ngoài, năng lƣợng tự do trong khối chất lỏng giảm. Năng lƣợng tự do tuân theo nguyên lý cực tiểu là lớp mặt ngoài chất lỏng luôn luôn co về diện tích nhỏ nhất (có thể có) để ứng với năng lượng tự do cực tiểu (có thể có). Ta sử dụng nguyên lý cực tiểu của năng lƣợng tự do để giải thích dạng hình cầu của các giọt nƣớc bé tự do. 1.2.3. Suất căng mặt ngoài Ðể so sánh lực căng mặt ngoài của các chất lỏng khác nhau, ta xét một đại lƣợng gọi là suất căng mặt ngoài; kí hiệu: Gọi là giá trị lực căng mặt ngoài tác dụng lên đoạn dài , lấy trên mặt ngoài chất lỏng, ta viết: Chú ý: Tăng nhiệt độ chất lỏng, suất căng mặt ngoài giảm. Tại nhiệt độ tới hạn, . Lực căng mặt ngoài tồn tại không những tại mặt phân cách giữa hai pha lỏng và hơi, mà cả giữa hai chất lỏng không hòa tan, giữa chất lỏng và chất rắn. Suất căng mặt ngoài của một chất sẽ thay đổi nếu trong chất đó có lẫn chất khác. 1.2.4 Một số hiện tượng căng mặt ngoài 1.2.4.1 Sự tạo thành giọt khi chất lỏng chảy ra khỏi một ống nhỏ Trong những ống khá nhỏ, chất lỏng chảy từ từ từng giọt một đƣợc giải thích nhƣ sau: do tác dụng của trọng lực, khối lỏng chảy ra khỏi ống nhƣng bị màng mặt ngoài giữ lại nên nó tạo thành một giọt phồng to dần và bị thắt lại ( 7
ở chỗ miệng ống). Tới lúc nào mà trọng lƣợng giọt đủ lớn, có thể thắng đƣợc lực căng mặt ngoài tác dụng lên chu vi vùng thắt và hƣớng lên trên thì chỗ thắt bị đứt, giọt lỏng sẽ rơi xuống và sau đó lại xuất hiện một giọt khác. Khối lỏng khá nhỏ và áp suất từ phía khối lỏng không đủ lớn thì khối không thể chảy ra khỏi ống đƣợc. Vì vậy, chất lỏng không thể chảy qua một mặt lƣới nhỏ nhƣ mặt ô, mặt vải bạt, mặt lƣới sắt lỗ nhỏ… 1.2.4.2. Màng xà phòng Nhúng một vòng dây thép vào trong nƣớc xà phòng. Nếu đã buộc một sợi chỉ vào vòng dây thép này thì khi rút vòng dây thép ra khỏi nƣớc xà phòng, ta sẽ có một màng xà phòng bao quanh dây thép. Trên màng xà phòng sợi chỉ có dạng tự nhiên của nó vì trên mỗi đoạn của sợi chỉ có những lực căng mặt ngoài cân bằng nhau tác dụng. Chọc thủng màng ở phía trong sợi chỉ,vì chỉ còn những lực căng mặt ngoài của màng xà phòng ở phía ngoài sợi chỉ nên sợi chỉ bị căng thành vòng tròn. 1.3. Hiện tƣợng dính ƣớt, không dính ƣớt Ta đã nói, lực căng mặt ngoài tồn tại cả ở chỗ tiếp giáp giữa chất lỏng và chất rắn. Xét phân tử A nằm tại chỗ tiếp giáp giữa 3 một trƣờng: rắn, lỏng, khí (hoặc hơi). Tạm coi mặt thoáng chất lỏng vuông góc với thành bình (rắn). Vẽ hình cầu tác dụng của phân tử A. Ta thấy: - Lực hút của các phân tử khí đối với A là không đáng kể so với lực hút của các phân tử chất rắn và chất lỏng đối với A. - Lực hút của các phân tử chất rắn đối với A kí hiệu là: ⃗⃗⃗⃗⃗ - Lực hút của các phân tử chất lỏng đối với A kí hiệu là: ⃗⃗⃗⃗⃗ 8
Có hai trƣờng hợp có thể xảy ra: - Tổng hợp lực ⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ hƣớng về phía chất rắn: chất lỏng dính ƣớt thành bình. - Tổng hợp lực ⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ hƣớng về phía chất lỏng: chất lỏng không dính ƣớt thành bình. Sau đây ta sẽ đi sâu thêm vào từng trƣờng hợp ấy: 1.3.1. Hiện tượng dính ướt Theo trên, ⃗ hƣớng về phía chất rắn. Ta lại phân tích ⃗⃗⃗⃗ làm hai thành phần: ⃗⃗⃗⃗ vuông góc với mặt phân cách và ⃗⃗⃗⃗ tiếp tuyến với mặt phân cách giữa hai môi trƣờng lỏng và hơi, ⃗⃗⃗⃗ không có tác dụng làm dịch chuyển phân tử A, ⃗⃗⃗⃗ kéo phân tử A về phía chất rắn. Kết quả là mặt thoáng bị cong xuống. Ta nói: chất lỏng làm dính ƣớt vật rắn, tức là có hiện tƣợng dính ƣớt. Gọi là góc giữa tiếp tuyến với mặt 9
ngoài của chất lỏng và mặt ngoài của chất rắn, đƣợc gọi là góc bờ. Ta có: Nếu , ta có hiện tƣợng hoàn toàn dính ƣớt Chú ý: Muốn phân tử A cân bằng tại vị trí tiếp giáp giữa 3 môi trƣờng, thì ⃗ phải vuông góc với mặt cong tại A, nghĩa là các thành phần của frl và fll tiếp tuyến với mặt cong trực đối nhau. 1.3.2 Hiện tượng không dính ướt Nếu tổng hợp lực ⃗ hƣớng vào lòng chất lỏng, thì ta cũng có thể chứng minh tƣơng tự nhƣ trên rằng mặt phân cách không thể vuông góc với thành bình. Đó là vì khi phân tích ⃗ thành những thành phần vuông góc và tiếp tuyến với mặt phân cách thì sẽ xuất hiện lực ⃗ kéo phân tử A ra xa chỗ tiếp giáp. Kết quả là tạo ra một mặt cong nhƣ hình vẽ, sao cho hợp lực ⃗ vuông góc với mặt cong đó. 10
Trƣờng hợp này giá trị góc bờ là . Ta nói chất lỏng không làm ƣớt vật rắn tức là có hiện tƣợng không dính ƣớt. Nếu : ta nói có hiện tƣợng hoàn toàn không dính ƣớt. Ta có thể dùng các hiện tƣợng không và có dính ƣớt để giải thích nhiều hiện tƣợng thực tế nhƣ: kim khâu dính dầu, thả nhẹ vào nƣớc thì nổi không chìm; vật rắn bị chìm mặc dù trong lƣợng riêng bé hơn trọng lƣợng riêng của chất lỏng... 1.3.3. Giải thích một số hiện tượng thực tế - Một kim khâu dính dầu thả nhẹ nhàng trên mặt nƣớc sẽ nổi trên mặt nƣớc tuy rằng trọng lƣợng riêng của chất tạo nên kim khâu lớn hơn trọng lƣợng riêng của nƣớc. Hiện tƣợng này đƣợc giải thích nhƣ sau: vì kim khâu dính dầu nên không bị nƣớc làm ƣớt. Mặt nƣớc ở chỗ tiếp giáp với kim khâu có dạng cong lõm xuống. Lực căng mặt ngoài xuất hiện dọc theo đƣờng tiếp giáp giữa kim khâu và mặt cong của nƣớc có tác dụng kéo kim khâu lên phía trên. Nếu trọng lƣợng của kim khâu cân bằng với hợp lực của lực căng mặt ngoài vừa nói và lực đẩy Acsimet tác dụng lên kim khâu thì kim khâu nổi đƣợc trên mặt nƣớc. - Trong thực tế cũng xảy ra hiện tƣợng ngƣợc lại với hiện tƣợng trên là một vật rắn bị chìm dƣới mặt chất lỏng dù trọng lƣợng riêng của vật nhỏ hơn trọng lƣợng riêng của chất lỏng vì chất lỏng làm ƣớt vật rắn, lực căng mặt ngoài sẽ hƣớng xuống dƣới và kéo chìm vật rắn xuống dƣới mặt chất lỏng cho đến khi lực căng mặt ngoài và trọng lƣợng của vật cân bằng với lực đẩy Acsimet tác dụng lên vật. - Hiện tƣợng dính ƣớt hay không dính ƣớt đƣợc áp dụng trong ngành khai thác quặng. Quặng đƣợc khai thác từ dƣới đất lên còn lẫn lộn cả bẩn quặng. Để tách quặng ra khỏi bẩn quặng ngƣời ta làm nhƣ sau. Đổ hỗn hợp đã đƣợc nghiền nhỏ vào trong bể nƣớc có pha chất dầu làm ƣớt quặng nhƣng không làm ƣớt bẩn quặng. Dùng máy cho không khí vào trong bể rồi khuấy 11
mạnh thì ta tạo ra rất nhiều bọt trong bể nƣớc và dầu. Vì dầu làm ƣớt quặng nên các cục quặng bị bao quanh bởi các màng dầu đầy bọt khí, nhờ lực đẩy Acsimet lên các bọt khí này mà các cục quặng đƣợc nổi lên trên trong khi các bẩn quặng bị chìm dƣới đáy bể. Ngƣời ta gạt riêng các cục quặng nổi ở trên sang các bể chứa khác. 1.4 Áp suất phụ gây bởi mặt khum chất lỏng 1.4.1 Định nghĩa áp suất phụ Trong các hình trụ có kích thƣớc bé, mặt ngoài các chất lỏng dính ƣớt có dạng lõm, không dính ƣớt có dạng lồi. Ðƣờng cong giới hạn giữa mặt ngoài chất lỏng và thành rắn chịu tác dụng bởi lực căng mặt ngoài. Lực này sẽ tạo thêm một áp suất nén xuống chất lỏng ở dƣới đối với mặt lồi, và tạo áp suất kéo chất lỏng từ dƣới lên ở mặt lõm. Áp suất do mặt khum gây ra nhƣ thế gọi là áp suất phụ. Tóm lại: tất cả các mặt khum của chất lỏng tác dụng lên chất lỏng một áp suất phụ so với trƣờng hợp mặt ngoài là phẳng. Với mặt khum lồi, áp suất phụ là dƣơng, mặt khum lõm gây áp suất phụ âm. 1.4.2. Biểu thức áp suất phụ Xét mặt khum cầu lồi với diện tích nguyên tố . Xét đoạn cong (ở chu vi diện tích ). Ta có: với: suất căng mặt ngoài; : lực căng mặt ngoài. 12
⃗⃗⃗⃗⃗ tiếp xúc với mặt lồi. Thành phần ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ nén khối lỏng dƣới diện tích tạo nên một áp suất phụ dƣơng. Ta tính : Toàn đƣờng tròn chu vi của chịu lực ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ song song với bán kính chính khúc OC=R ∑ = . .∑ . . Với r: bán kính vòng tiếp xúc lỏng và rắn R: bán kính chính khúc mặt khum. Vậy: Áp suất phụ tìm đƣợc bằng cách chia lực f1 cho diện tích phẳng giới hạn trong đƣờng tròn : + Trƣờng hợp mặt khum là lõm thì p cũng tính đƣợc bằng biểu thức nhƣ thế nhƣng lấy dấu âm (-). + Nếu mặt khum có dạng bất kì thì thay cho công thức trên ta có công thức: 13
(Công thức Laplaxơ) Với: R1 và R2 là bán kính chính khúc của 2 giao tuyến cong, do mặt khum đó bị cắt bởi 2 mặt phẳng vuông góc với nhau tại điểm O mà ta xét. Chú ý: -Khi mặt cong là mặt cầu thì R1 = R2 = R Ta có: = nhƣ công thức trên -Khi mặt cong có dạng hình trụ tròn xoay thì R1 = , R2 = R Ta có: = 1.5. Hiện tƣợng mao dẫn Lực căng mặt ngoài dọc theo đƣờng cong tiếp giáp của mặt thoáng khum với thành ống tạo ra áp suất phụ, đồng thới là nguyên nhân gây ra hiện tƣợng mao dẫn. Nhận xét: - Nhúng ống trụ nhỏ vào chậu đựng chất lỏng làm ƣớt ống, ta thấy mặt thoáng chất lỏng trong ống dâng cao lên so với mặt thoáng chất lỏng ngoài chậu. Ðộ cao chênh lệch là h. - Nếu dùng chất lỏng không dính ƣớt thì ngƣợc lại mực chất lỏng trong ống hạ thấp so với mặt thoáng ngoài chậu. Ta biết rằng có hiện tƣợng mao dẫn là do mặt thoáng trong ống là những mặt khum (lõm hoặc lồi). Lực căng mặt ngoài gây áp suất phụ âm hoặc 14