Chất Lỏng: Tính Chất, Ứng Dụng và Bài Tập

Nghiên cứu về chất lỏng là một lĩnh vực quan trọng trong vật lý và kỹ thuật. 73 trang · 2018.

• Trường học: Trường Đại Học
• Chuyên ngành: Vật Lý
• Đề tài: Nghiên Cứu Về Chất Lỏng: Tính Chất, Ứng Dụng và Bài Tập
• Loại tài liệu: Chuyên Đề
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• I. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI
• ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU
• MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU, ĐÓNG GÓP MỚI CỦA ĐỀ TÀI
• IV. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1. Phƣơng pháp nghiên cứu lí thuyết
• - Phân tích và tổng hợp lí thuyết
• - Phân loại hệ thống lí thuyết
• Phƣơng pháp nghiên cứu thực tiễn
• CẤU TRÚC CHUYÊN ĐỀ
• 1. Chương I: SƠ LƢỢC VỀ CHẤT LỎNG
• 1.1. I. Định nghĩa
• 1.2. II. Tính chất
• 1.2.1. Tính chất của chất lỏng
• 1.2.2. Tính chất của nƣớc
• 1.3. Cấu tạo và chuyển động phân tử chất lỏng
• 1.4. CHẤT LỎNG TĨNH
• 1.4.1. II. Định nghĩa
• 1.4.2. Áp suất thuỷ tĩnh
• 1.4.3. Định luật Pascan
• 1.4.4. Định luật Acsimet
• 1.5. CHẤT LỎNG CHUYỂN ĐỘNG
• 1.5.1. III. Chất lỏng thực và chất lỏng lí tƣởng
• 1.5.2. Định luật bảo toàn dòng
• 1.5.2.1. III. Sự chảy ổn định. Đƣờng dòng và ống dòng
• 1.5.3. Định luật Becnuli
• 1.5.3.1. Hệ quả và ứng dụng của định luật Becnuli
• 1.5.4. Hiện tƣợng nhớt và định luật Niuton
• 2. Chương II: BÀI TẬP
• 3. Chương III: GIỚI THIỆU ĐỀ THI CÁC NƯỚC

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Chất Lỏng Tính Chất và Ứng Dụng

Nghiên cứu về chất lỏng là một lĩnh vực quan trọng trong vật lý và kỹ thuật. Chất lỏng có những tính chất đặc trưng như khả năng chảy, áp suất và tương tác với môi trường xung quanh. Việc hiểu rõ về tính chất của chất lỏng không chỉ giúp giải thích các hiện tượng tự nhiên mà còn ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, y tế và môi trường.

1.1. Ứng Dụng Của Chất Lỏng Trong Công Nghiệp

Chất lỏng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, từ việc vận chuyển đến chế biến. Các ứng dụng bao gồm hệ thống thủy lực, bơm nước và sản xuất hóa chất. Việc hiểu rõ đặc điểm của chất lỏng giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và tiết kiệm năng lượng.

1.2. Tính Chất Vật Lý Của Chất Lỏng

Chất lỏng có những tính chất vật lý như khối lượng riêng, độ nhớt và áp suất. Những tính chất này ảnh hưởng đến cách mà chất lỏng tương tác với các vật thể khác và môi trường. Nghiên cứu về tính chất vật lý của chất lỏng giúp phát triển các công nghệ mới.

II. Vấn Đề và Thách Thức Trong Nghiên Cứu Chất Lỏng

Mặc dù có nhiều ứng dụng, nghiên cứu về chất lỏng cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như sự biến đổi tính chất khi thay đổi nhiệt độ và áp suất, hay sự tương tác giữa các phân tử chất lỏng cần được giải quyết. Những thách thức này đòi hỏi các nhà nghiên cứu phải tìm ra các phương pháp mới để hiểu và kiểm soát các hiện tượng này.

2.1. Thách Thức Về Nhiệt Độ và Áp Suất

Sự thay đổi nhiệt độ và áp suất có thể làm thay đổi tính chất của chất lỏng. Điều này có thể dẫn đến các hiện tượng không mong muốn trong quá trình sản xuất. Việc nghiên cứu và dự đoán các thay đổi này là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả sản xuất.

2.2. Tương Tác Giữa Các Phân Tử Chất Lỏng

Tương tác giữa các phân tử trong chất lỏng có thể gây ra hiện tượng như sự phân tán và kết tụ. Hiểu rõ về động lực học chất lỏng giúp các nhà khoa học phát triển các mô hình chính xác hơn để dự đoán hành vi của chất lỏng trong các điều kiện khác nhau.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Chất Lỏng Hiện Đại

Các phương pháp nghiên cứu hiện đại trong lĩnh vực chất lỏng bao gồm phân tích lý thuyết và thực nghiệm. Việc kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn giúp tạo ra những hiểu biết sâu sắc hơn về hành vi của chất lỏng trong các điều kiện khác nhau.

3.1. Phân Tích Lý Thuyết Về Chất Lỏng

Phân tích lý thuyết giúp xác định các đặc điểm và hành vi của chất lỏng thông qua các mô hình toán học. Những mô hình này có thể dự đoán được các hiện tượng như áp suất và lưu lượng chất lỏng trong các hệ thống khác nhau.

3.2. Nghiên Cứu Thực Nghiệm Về Chất Lỏng

Nghiên cứu thực nghiệm cho phép kiểm tra và xác nhận các lý thuyết đã được phát triển. Các thí nghiệm có thể bao gồm đo lường áp suất, nhiệt độ và độ nhớt của chất lỏng trong các điều kiện khác nhau.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Nghiên Cứu Chất Lỏng

Nghiên cứu về chất lỏng không chỉ dừng lại ở lý thuyết mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn. Từ việc thiết kế hệ thống thủy lực đến phát triển các công nghệ mới trong y tế, chất lỏng đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực.

4.1. Hệ Thống Thủy Lực Trong Công Nghiệp

Hệ thống thủy lực sử dụng chất lỏng để truyền tải năng lượng. Việc tối ưu hóa các hệ thống này có thể giúp tiết kiệm năng lượng và tăng hiệu suất làm việc.

4.2. Ứng Dụng Trong Y Tế

Trong y tế, chất lỏng được sử dụng trong nhiều thiết bị như máy bơm tiêm và hệ thống truyền dịch. Nghiên cứu về tính chất của chất lỏng giúp cải thiện hiệu quả và độ an toàn của các thiết bị này.

V. Kết Luận và Tương Lai Của Nghiên Cứu Chất Lỏng

Nghiên cứu về chất lỏng là một lĩnh vực đang phát triển mạnh mẽ. Với sự tiến bộ của công nghệ và khoa học, nhiều ứng dụng mới sẽ được phát triển. Việc hiểu rõ về tính chất của chất lỏng sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong nghiên cứu và ứng dụng.

5.1. Tương Lai Của Nghiên Cứu Chất Lỏng

Tương lai của nghiên cứu về chất lỏng hứa hẹn sẽ có nhiều đột phá mới. Các công nghệ mới sẽ giúp cải thiện khả năng kiểm soát và ứng dụng chất lỏng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

5.2. Định Hướng Nghiên Cứu Mới

Các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm các phương pháp mới để hiểu rõ hơn về hành vi của chất lỏng trong các điều kiện khác nhau. Điều này sẽ giúp phát triển các công nghệ tiên tiến hơn trong tương lai.

Nội dung chính

Phân Tích Giáo Trình: Chuyên Đề Chất Lỏng (Tính Chất, Ứng Dụng Và Bài Tập)

Tổng quan về giáo trình (250-300 từ)

Tài liệu học thuật Chuyên đề Chất lỏng (ban hành tháng 02 năm 2018) là tài liệu chuyên khảo chuyên sâu thuộc lĩnh vực Cơ học chất lưu và Nhiệt học trong chương trình đào tạo Vật lý. Trong hệ thống đào tạo đại học, cao học và bồi dưỡng học sinh - sinh viên giỏi, chuyên đề giữ vị trí cầu nối giữa cơ học cổ điển và lý thuyết nhiệt động lực học phân tử, cung cấp bức tranh toàn diện về trạng thái tập hợp trung gian của vật chất.

Mục tiêu học tập của giáo trình tập trung vào việc hình thành cho người học khả năng phân tích bản chất cấu trúc vi mô của chất lỏng, nắm vững các định luật tĩnh học, động học và hiện tượng bề mặt. Qua đó, người học có thể mô hình hóa toán học các quá trình vật lý, giải thích các hiện tượng thực tế và giải quyết hệ thống bài toán định lượng phức tạp bằng công cụ vi tích phân.

Giáo trình được cấu trúc thành ba phần chính:

• Phần mở đầu: Trình bày lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu và phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết.
• Phần nội dung: Bao gồm ba chương cốt lõi:
  • Chương I. Lý thuyết chung: Hệ thống hóa kiến thức từ cấu trúc phân tử, tĩnh học chất lỏng, động học - động lực học dòng chảy đến hiện tượng căng mặt ngoài.
  • Chương II. Bài tập vận dụng: Cung cấp hệ thống bài tập giải tích đa dạng có lời giải chi tiết.
  • Chương III. Giới thiệu đề thi các nước: Mở rộng phạm vi khảo sát sang các đề thi học thuật quốc tế.
• Phần kết luận và Danh mục tài liệu tham khảo.

Cách tiếp cận của tài liệu đi từ bản chất tương tác vi mô (mô hình hố thế năng và lý thuyết dao động Frenkel) đến các biểu thức cơ học vĩ mô và ứng dụng kỹ thuật thực tiễn.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi (500-600 từ)

Các chương và chủ đề chính

Nội dung lý thuyết và bài tập của giáo trình được triển khai tuần tự qua các khối kiến thức chuyên biệt:

1. Sơ lược về chất lỏng và cấu trúc vi mô:

   • Định nghĩa chất lỏng là trạng thái có thể chảy, mang tính chất trung gian giữa chất rắn và chất khí.
   • Dị thường nhiệt của nước: khối lượng riêng đạt cực đại $1000\text{ kg/m}^3$ ở $4^\circ\text{C}$; trạng thái "băng thứ năm" (nước đá nóng) tồn tại ở $76^\circ\text{C}$ dưới áp suất $20600\text{ at}$ với tỉ khối $1{,}05$.
   • Lý thuyết động học phân tử theo mô hình Frenkel: phân tử thực hiện dao động quanh vị trí cân bằng tạm thời với chu kỳ $\tau_0 \approx 10^{-13}\text{ s}$ và thời gian dừng trung bình $\tau = \tau_0 e^{\frac{w}{kT}} \approx 10^{-11}\text{ s}$ ở nhiệt độ phòng ($k = 1{,}38 \times 10^{-23}\text{ J/K}$).

2. Tĩnh học chất lưu:

   • Khái niệm áp suất ($P = \frac{F}{S}$), các đơn vị đo ($\text{Pa}, \text{at}, \text{atm}, \text{Torr/mmHg}$).
   • Phương trình cơ bản của thủy tĩnh học: $\Delta P = \rho g h$.
   • Nguyên lý Pascal về sự truyền nguyên vẹn độ tăng áp suất trong bình kín, ứng dụng trong máy ép thủy lực và phanh thủy lực.
   • Định luật Archimedes về lực đẩy nổi $F_A = \rho g V$ và điều kiện cân bằng tĩnh của vật thể.
   • Cân bằng tương đối của chất lỏng trong hệ quy chiếu quay, hình thành mặt đẳng áp paraboloid tròn xoay: $z = \frac{\omega^2 r^2}{2g}$.

3. Động học và Động lực học chất lưu:

   • Phân biệt chất lỏng lý tưởng (không nén được, không nhớt) và chất lỏng thực.
   • Phương trình liên tục cho dòng dừng: $Q = S_1 v_1 = S_2 v_2 = \text{const}$.
   • Phương trình Bernoulli: $P + \frac{1}{2}\rho v^2 + \rho g h = \text{const}$, giải thích hiệu ứng Venturi và định luật Torricelli ($v = \sqrt{2gh}$).
   • Hiện tượng nội ma sát theo định luật Newton: $F = \eta \frac{dv}{dz} \Delta S$, với hệ số nhớt $\eta$ ($\text{Ns/m}^2$).
   • Định luật Stokes cho quả cầu chuyển động trong chất lỏng nhớt: $F = 6\pi \eta r v$.
   • Công thức Poiseuille tính lưu lượng dòng chảy tầng qua ống tròn: $Q = \frac{\pi R^4 (P_1 - P_2)}{8\eta l}$.
   • Phương trình bảo toàn động lượng và mômen động lượng cho dòng chảy.

4. Hiện tượng bề mặt và Mao dẫn:

   • Áp suất phân tử nội tại (đối với nước đạt khoảng $17000\text{ atm}$) trong bán kính tương tác $r \approx 10^{-9}\text{ m}$.
   • Năng lượng mặt ngoài $E = \sigma S$ và lực căng mặt ngoài $F = \sigma l$, nguyên lý cực tiểu hóa diện tích mặt ngoài.
   • Cơ chế dính ướt và không dính ướt dựa trên tương tác giữa lực hút phân tử rắn - lỏng ($F_{rl}$) và lỏng - lỏng ($F_{ll}$), xác định qua góc bờ $\theta$.
   • Áp suất phụ Laplace gây bởi mặt cong: $\Delta P = \frac{2\sigma}{R}$ (mặt cầu) và $\Delta P = \sigma (\frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2})$ (mặt cong bất kỳ).
   • Công thức Jurin về độ dâng/hạ mao dẫn: $h = \frac{2\sigma \cos\theta}{\rho g r}$.

                 CẤU TRÚC KIẾN THỨC CHUYÊN ĐỀ CHẤT LỎNG
   TĨNH HỌC CHẤT LƯU       ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT LƯU      HIỆN TƯỢNG BỀ MẶT
  • Áp suất thủy tĩnh      • Phương trình liên tục   • Năng lượng mặt ngoài
  • Định luật Pascal       • Định luật Bernoulli     • Áp suất phụ Laplace
  • Định luật Archimedes   • Định luật ma sát Newton • Hiện tượng mao dẫn
  • Cân bằng trường quay   • Định luật Stokes/Poiseuille • Dính ướt & Góc bờ

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình xây dựng hệ thống lý thuyết dựa trên ba trụ cột:

• Nguyên lý bảo toàn: Bảo toàn khối lượng (phương trình liên tục), bảo toàn cơ năng (phương trình Bernoulli), định luật bảo toàn động lượng và mômen động lượng.
• Nhiệt động học và cấu trúc vi mô: Sự thăng giáng năng lượng phân tử, điều kiện thế năng bề mặt cực tiểu của hệ nhiệt động.
• Cơ học môi trường liên tục: Mô hình dòng nguyên tố, ống dòng, gradient vận tốc và lực tương tác lớp nhớt.

Kỹ năng phát triển

Thông qua hệ thống lý thuyết và bài tập giải tích, người học được rèn luyện các kỹ năng học thuật:

• Kỹ năng giải tích toán - lý: Thiết lập và giải các phương trình vi phân biến thiên vận tốc dòng nhớt, tính toán tích phân động năng dòng chảy và giải phương trình vi phân chuyển động dao động.
• Kỹ năng mô hình hóa: Phân tích trạng thái giới hạn (vận tốc lắng Stokes, điều kiện lật đập nước, dao động nhỏ của cột chất lỏng trong ống cong và ống chữ U).
• Kỹ năng phân tích hiện tượng: Liên kết giữa cơ chế phân tử bề mặt và các hiệu ứng vĩ mô như lực mao quản, áp suất dâng trong màng xà phòng.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập (300-350 từ)

Giáo trình áp dụng phương pháp tiếp cận diễn dịch kết hợp quy nạp, tổ chức nội dung theo tiến trình: xây dựng mô hình vật lý $\rightarrow$ thiết lập phương trình toán học $\rightarrow$ kiểm chứng qua ví dụ thực tế $\rightarrow$ khái quát hóa thành dạng bài tập tổng quát.

Hệ thống bài tập tại Chương II được chia theo ba mảng chuyên đề với mức độ giải tích cao:

• Bài tập Tĩnh học: Bao gồm các bài toán xác định lực căng dây khi hai quả cầu chìm trong chất lỏng, tính khối lượng riêng của vật rơi qua hai lớp chất lưu không trộn lẫn, xác định điều kiện cân bằng bền của cốc nước bằng bất đẳng thức Cauchy, tính bề rộng chân đập nước chống lật, và khảo sát phân bố áp suất trong bình chứa quay quanh trục thẳng đứng.
• Bài tập Động học và Động lực học chất lưu: Tập trung vào các bài toán kết hợp ống Venturi và ống Pitot, thời gian xả chất lỏng qua vòi Torricelli, chuyển động của chất lỏng nhớt giữa hai hình trụ đồng trục quay tương đối, dao động nhỏ của khối chất lỏng trong ống cong hình tròn bán kính $R$ và ống chữ U có gắn piston - lò xo.
• Bài tập Hiện tượng bề mặt: Khảo sát năng lượng tạo bọt xà phòng có tính đến công nén khí đẳng nhiệt ($A_T = pV\ln\frac{p}{p_0}$), sự tăng nhiệt độ do hợp nhất hai giọt thủy ngân, xác định hệ số căng bề mặt qua giọt bạc nóng chảy rơi, và bài toán áp suất phụ trong các bọt xà phòng tiếp xúc.

Phương pháp đánh giá và tự học định hướng người đọc sử dụng phương pháp tách biến vi phân, thiết lập phương trình cân bằng công - năng lượng và giải tích điều kiện biên vật lý.

---

Điểm nổi bật và cập nhật (250-300 từ)

Giáo trình thể hiện tính chất học thuật chuyên sâu thông qua việc tích hợp các dữ liệu định lượng và mô hình vật lý chính xác:

• Dữ liệu thực nghiệm về các trạng thái đặc biệt: Tài liệu cung cấp thông số về dạng thù hình "băng thứ năm" hình thành ở $76^\circ\text{C}$ dưới áp suất $20600\text{ at}$, áp suất phân tử nội tại của nước xấp xỉ $17000\text{ atm}$, và mô hình nhảy mạng phân tử theo công thức Frenkel.
• Phân tích dòng chảy nhớt phi tuyến: Khác với các tài liệu đại cương chỉ dừng lại ở chất lưu lý tưởng, chuyên đề đi sâu vào dòng chảy tầng thực tế, thiết lập biểu thức gradient vận tốc $\frac{dv}{dr} = r \frac{d\omega}{dr} + \omega r$, tính toán mômen ma sát nhớt giữa các trụ quay đồng trục chứa khí Hydro, và giải phương trình vi phân xác định vận tốc dòng dừng có tính đến hệ số nhớt Poiseuille: $$v_0 = \sqrt{4gh + k^2} - k \quad \text{với} \quad k = \frac{8\eta h}{\rho R^2}$$
• Giải thích các hiện tượng kỹ thuật và an toàn đời sống: Tài liệu vận dụng trực tiếp định luật Bernoulli để giải thích lực tương tác tĩnh giữa hai tàu thủy chạy song song, lực hút nguy hiểm đối với người đứng gần tàu hỏa chạy nhanh ($80\text{ N}$ ở vận tốc $50\text{ km/h}$) hoặc dòng nước chảy ($300\text{ N}$ ở vận tốc $1\text{ m/s}$), ứng dụng góc bờ dính ướt trong tuyển khoáng, và nguyên lý ngăn bọt khí tránh tắc mạch trong kỹ thuật truyền dịch y tế.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình (200-250 từ)

Giáo trình được biên soạn phục vụ các nhóm đối tượng học thuật cụ thể:

• Sinh viên đại học và học viên cao học: Chuyên ngành Vật lý học, Sư phạm Vật lý, Cơ học chất lưu, Kỹ thuật Thủy văn, Kỹ thuật Hóa học và Cơ khí Động lực cần tài liệu tham khảo chuyên sâu về cơ học môi trường liên tục và hiện tượng nhiệt động bề mặt.
• Học sinh các lớp chuyên Vật lý và đội tuyển học sinh giỏi: Sử dụng tài liệu để bồi dưỡng kiến thức nâng cao, chuẩn bị cho các kỳ thi học sinh giỏi quốc gia và Olympic Vật lý quốc tế.
• Giảng viên và giáo viên: Sử dụng làm khung tài liệu giảng dạy chuyên đề, xây dựng ngân hàng bài tập giải tích và thiết kế đề kiểm tra định lượng.
• Yêu cầu tiên quyết: Người học cần nắm vững kiến thức Vật lý đại cương phần Cơ - Nhiệt, cùng các công cụ Toán giải tích bao gồm đạo hàm riêng, phép tính vi tích phân một biến và phương pháp giải phương trình vi phân phân ly biến số.

---

Câu hỏi thường gặp (250-300 từ)

1. Giáo trình này phù hợp với trình độ nào?

Tài liệu được thiết kế cho trình độ đại học, cao học và học sinh các lớp chuyên Vật lý tham gia các kỳ thi học thuật chuyên sâu, đòi hỏi khả năng xử lý bài toán bằng công cụ toán học vi tích phân.

2. Người học cần chuẩn bị kiến thức nền tảng gì trước khi nghiên cứu giáo trình?

Cần nắm vững cơ học cổ điển Newton, nhiệt động lực học đại cương, các khái niệm về công - năng lượng, cùng kỹ năng giải tích toán học (tích phân, vi phân, khai triển chuỗi và giải phương trình vi phân cơ bản).

3. Điểm khác biệt của giáo trình so với các tài liệu vật lý đại cương thông thường là gì?

Tài liệu không chỉ dừng ở các định luật định tính mà đi sâu vào bản chất vi mô (công thức Frenkel), thiết lập các phương trình chuyển động của chất lỏng nhớt, và khảo sát hiện tượng bề mặt bằng các phương trình vi phân Laplace tổng quát.

4. Làm thế nào để tự học giáo trình hiệu quả?

Người học nên đọc kỹ phần suy dẫn lý thuyết tại Chương I, tự thiết lập lại các phương trình toán học trước khi đối chiếu với lời giải chi tiết của 27 bài toán mẫu ở Chương II, sau đó thử sức với hệ thống đề thi quốc tế ở Chương III.

5. Giáo trình có đề cập đến các hiện tượng thực tế không?

Có. Tài liệu tích hợp nhiều ứng dụng thực tiễn như máy ép thủy lực, bình phun sương, lực tương tác giữa hai tàu chuyển động song song, công nghệ tuyển quặng, cơ chế giữ ẩm của đất qua mao quản và kỹ thuật y khoa.

---

Kết luận (150 từ)

Chuyên đề Chất lỏng cung cấp một hệ thống lý thuyết hoàn chỉnh và chặt chẽ về trạng thái lỏng, kết nối bản chất tương tác vi mô phân tử với các định luật cơ học chất lưu vĩ mô. Giá trị học thuật cốt lõi của tài liệu nằm ở cấu trúc phân loại khoa học, hệ thống bài tập giải tích mẫu mực có tính phân loại cao, và khả năng giải thích các quá trình vật lý thực tiễn.

Lộ trình học tập kiến nghị bắt đầu từ việc nắm vững mô hình lý thuyết tại Chương I, thực hành tính toán định lượng trên hệ thống bài tập phân loại tại Chương II, và hoàn thiện kỹ năng giải quyết vấn đề qua các đề thi tuyển chọn tại Chương III.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I. Lý thuyết chung - Chương II. Bài tập - Chương III. Giới thiệu đề thi các nước 3 Phần thứ hai NỘI DUNG CHUYÊN ĐỀ Chƣơng I.

SƠ LƢỢC VỀ CHẤT LỎNG I. Định nghĩa Định nghĩa: Chất lỏng là những chất có thể chảy được. Tính chất II. Tính chất của chất lỏng Chất lỏng có tính chất trung gian giữa chất rắn và chất khí, đó là: - Chất lỏng chuyển sang trạng thái khí ở nhiệt độ cao, và sang trạng thái rắn ở nhiệt độ thấp.

- Chất lỏng có hình dạng của bình chứa như chất khí, nhưng không chiếm toàn bộ thể tích như chất khí mà có thể tích xác định như chất rắn. - Khoảng cách trung bình giữa các phân tử chất lỏng lớn hơn chất rắn nhưng nhỏ hơn chất khí. - Các phân tử chất lỏng không chuyển động tự do như những phân tử chất khí nhưng cũng không cố định ở một vị trí cân bằng như những phân tử chất rắn mà có vị trí cân bằng thay đổi. Tính chất của nƣớc Nước là chất lỏng phổ biến nhất, chiếm 3/4 diện tích bề mặt trái đất.

Nước tinh khiết có khối lượng riêng là 1000 kg/ m 3. Nước tồn tại ở cả ba thể: rắn, lỏng, khí: - Nước ở thể rắn khi nhiệt độ nhỏ hơn 0 0 C. Đặc biệt người ta đã tạo ra được "nước đá nóng" có nhiệt độ 76 0 C ở áp suất cao 20600 at. Người ta gọi đó là loại "băng thứ năm".

Chúng ta không có cách gì tiếp xúc được với nó, bởi vì, băng thứ năm được hình thành trong một cái bình dày làm bằng thép tốt nhất, dưới áp suất của một cái máy ép cực mạnh. Cho nên chúng ta không thể nhìn thấy nó hoặc sờ vào nó được. Chúng ta chỉ có thể biết được tính chất của loại "băng nóng" này bằng phương pháp gián tiếp. "Nước đá nóng" này đặc hơn nước đá thường, thậm chí còn đặc hơn cả nước nữa: tỉ khối của nó là 1,05.

Nó chìm trong nước chứ không nổi trong nước như nước đá thường. - Nước ở thể lỏng, có tất cả các tính chất của chất lỏng. Đặc biệt ở 4 0 C nó có khối lượng riêng lớn nhất, nên ở các đáy hồ sâu, biển. đều có cùng nhiệt độ đó.

- Nước ở thể khí: thực chất tồn tại ở thể hơi. Cấu tạo và chuyển động phân tử chất lỏng Vì năng lượng chuyển động nhiệt của các phân tử chất lỏng vào cỡ độ sâu của hố 1 thế năng. Nên năng lượng ứng với mỗi bậc tự do kT sẽ bé hơn độ sâu của hố. Như vậy 2 các phân tử chất lỏng không thể chuyển động tự do mà chúng chỉ thực hiện nhưng dao động quanh vị trí cân bằng.

Mặt khác giá trị năng lượng này không nhỏ hơn hố thế năng 4 nhiều qúa. Nhưng do thăng giáng mà phân tử có động năng đủ lớn (vì nhận thêm năng lượng) và phân tử có thể vượt qua hố thế năng để di chuyển đến một vị trí cân bằng mới. Thời gian dao động quanh vị trí cân bằng của phân tử chất lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ. Ở gần nhiệt độ đông đặc thời gian đó rất lớn, nhưng khi tăng nhiệt độ thời gian đó lại giảm đi.

Để tính thời gian dao động trung bình  của các phân tử quanh một vị trí cân bằng, ta tính theo công thức : w  = 0e kT Công thức nay do Frenken thiết lập. Trong đó  0 là chu kì dao động của phân tử quanh vị trí cân bằng, w là năng lượng hoạt động của phân tử, k = 1,38.10-23 J/K là hằng số Bonzman, T là nhiệt độ tuyệt đối. Với nước ở nhiệt độ thường  =10-11 giây, trong khi đó  0 =10-13 giây. Như vậy cứ dao động khoảng 100 chu kỳ phân tử nước lại dịch chuyển đi chỗ khác.

CHẤT LỎNG TĨNH II. Định nghĩa * Định nghĩa: Áp suất tại mọi điểm trên một mặt bị ép (nén) là độ lớn của áp lực vuông góc lên một diện tích của mặt đó. F P= S Với P là áp suất tại điểm đó, F là độ lớn của áp lực vuông góc tác dụng lên diện tích có độ lớn S. * Đơn vị đo áp suất: Trong hệ SI, đơn vị đo áp suất là Niutơn trên mét vuông, còn gọi là pascal (Pa) 1 Pa = 1 N/m2 Ngoài ra còn dùng các đơn vị khác như: - Átmốtphe kỹ thuật (hay átmốtphe) kí hiệu là at N 1at = 9,81.104 m2 - Átmốtphe Vật lý: kí hiệu là atm N 1atm = 1,013.105 =1,033 at m2 Tor hay milimét thuỷ ngân: kí hiệu là Tor hay mmHg 1Tor = 1mmHg = 133,322 N/m2 Vậy: 1atm = 760 mmHg = 1,013.

Áp suất thuỷ tĩnh Ở điều kiện trái đất chất lỏng có trọng lượng. Mà áp suất do có  F1 lực tác dụng, nên hai diện tích nằm ở những độ sâu khác nhau dưới mặt thoáng chất lỏng sẽ chịu những áp suất khác nhau. Độ khác nhau đó bằng cái gì?  P Ta tách tưởng tượng trong lòng chất lỏng một hình trụ thẳng đứng với các đáy nằm ngang. Chất lỏng trong hình trụ nén nước ở  xung quanh.

Lực toàn phần của sự ép này bằng trọng lượng mg của F 2 chất lỏng bên trong hình trụ. Nhưng các lực tác dụng lên những phía Hình 1 đối diện của mặt bên bằng nhau về độ lớn và ngược chiều. Do đó tất cả các lực tác dụng lên mặt bên bằng không. Nghĩa là trọng lượng mg bằng hiệu các lực F1, F2 F2 - F1 = mg Mà m = ρ V = ρ Sh, với S là diện tích đáy của hình trụ,  là khối lượng riêng của chất lỏng, nên : F2 - F1 = ρ shg F2 F1  - = ρ gh S S  P2 - P1 = ρ gh Ta thấy áp suất của chất lỏng phụ thuộc vào độ sâu: “Hiệu áp suất giữa hai điểm trong chất lỏng cân bằng có giá trị bằng trọng lượng của cột chất lỏng có tiết diện bằng đơn vị diện tích và có độ cao bằng hiệu hai độ cao giữa hai điểm ấy”.

Áp suất của chất lỏng do trọng lượng của nó gây ra gọi là áp suất thuỷ tĩnh. Vậy một điểm nằm cách mặt thoáng chất lỏng một đoạn là h, có áp suất thuỷ tĩnh là: P = ρ gh Ở điều kiện trái đất, không khí thường nén lên bề mặt của chất lỏng, áp suất của không khí gọi là áp suất của khí quyển. Áp suất ở một độ sâu nào đó trong lòng chất lỏng bằng áp suất khí quyển cộng với áp suất thuỷ tĩnh. Từ biểu thức trên ta thấy, nếu áp suất của một điểm càng nằm sâu trong lòng chất lỏng, thì có áp suất càng lớn.

Hiện tượng này thể hiện rất rõ: Những khúc gỗ đưa xuống độ sâu 5 km bị áp suất khổng lồ (5.10 5 N/cm 2 ) của nước nén chặt lại tới mức mà sau đó chúng chìm trong thùng nước như những viên gạch. Trên thực tế các tàu ngầm cũng chỉ có thể xuống đến độ sâu chừng 100 - 200 m. Những điểm nằm trên cùng một mức ngang thì áp suất sẽ bằng nhau, người ta đã ứng dụng hiện tượng này trong các bình thông nhau. Định luật Pascan Xét thí nghiệm: Hai pittông có cùng tiết diện, có thể chuyển động trong một bình kín chứa nước.

Đặt một quả cân lên một pittông, kết qủa là nó hạ sâu xuống và đẩy pittông kia lên. Muốn giữ cho hai pittông ở trạng thái cân bằng thì phải đặt một quả cân như thế ở đầu pittông kia. Khi thay một pittông có tiết diện gấp 100 lần diện tích của pittông kia. Kết quả cho thấy: Nếu đặt một quả cân lên pittông bé thì phải đặt 100 quả cân như vậy lên pittông lớn mới giữ nó ở chỗ cũ.

Ta thấy rằng, thực chất của việc đặt các quả cân nên pittông là gây ra một áp suất lên khối chất lỏng dưới pittông, vậy nếu trên một phần chất lỏng đựng trong một bình kín ta gây ra một áp suất thì áp suất này được truyền đều và không giảm bớt tới mọi phần của mặt bên trong bình. Do đó có thể phát biểu định luật Pascal như sau: "Khi chất lỏng bị giam kín trong một bình không biến dạng chịu một tăng áp từ bên ngoài thì lực tác dụng này được truyền đến mọi điểm của chất lỏng và độ tăng áp suất là như nhau". Định luật Pascal được vận dụng làm máy ép thuỷ tĩnh, áp kế, phanh thuỷ lực. Định luật Acsimet Tưởng tượng tách một phần tử chất lỏng thể tích là v chứa trong mặt kín s bất kỳ.

Phần tử này chịu tác dụng của hai lực: Lực mặt là lực của các phân tử xung quanh tác dụng, lực này vuông góc với mặt s, phần mặt s ở càng sâu thì chịu tác  FA dụng càng lớn do đó tổng lực mặt FA hướng lên trên. Lực khối tỷ lệ với khối lượng m của các phần tử chất  lỏng, vì xét trong trường trọng lực, nên nó bằng trọng lực của Pg khối chất lỏng ( Pg  mg  gv ) đặt tại trong tâm G của nó. Hình 3 Phần tử chất lỏng đó cân bằng khi tổng hợp lực và tổng mômen của các lực tác dụng lên nó bằng không. Do đó lực đẩy lên trên ( FA ) phải có điểm đặt ở trọng tâm G và trực đối với lực khối Pg Nếu thay phần tử chất lỏng bằng một vật cụ thể có hình dạng và thể tích đúng như phần tử chất lỏng đó thì vẫn xuất hiện lực FA đẩy vật lên trên.

Ta suy ra : “ Bất cứ một vật rắn nào nằm trong chất lỏng đều chịu một lực đẩy từ dưới lên trên. Lực này có điểm đặt tại trọng tâm của phần tử chất lỏng bị chiếm chỗ và có trị số bằng trọng lượng của phần tử chất lỏng bị vật ấy chiếm chỗ”. Đây là định luật Acsimét, lực FA hướng lên trên gọi là lực đẩy Acsimét. độ lớn: FA = Pg = ρ gv Do đặc điểm của lực Acsimét, nên khi một vật chìm trong chất lỏng thì trọng lượng của chúng bị giảm đi một giá trị bằng trọng lượng phần chất lỏng bị chiếm chỗ.

7 Lực đẩy Acsimét cũng xuất hiện trong cả không khí, song khí quyển có khối ượng riêng rất nhỏ nên lực đẩy tác dụng lên vật không đáng kể. Nhưng trong các phép đo chính xác ta phải tính đến lực đẩy này. CHẤT LỎNG CHUYỂN ĐỘNG III. Chất lỏng thực và chất lỏng lí tƣởng Chất lỏng lý tưởng là chất lỏng hoàn toàn không nén được và không có lực ma sát giữa các phân tử.

Chất lỏng thực là chất lỏng không lý tưởng. Trong thực tế thì chất lỏng đều có lực nội ma sát tuy rất bé. Lực này tăng khi vận tốc chuyển động tăng.