BÀI GIẢNG

VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆPBộ môn Vật lý

NỘI DUNG CHI TIẾT MÔN HỌC

CHƯƠNG IV. CHẤT LỎNG4.1. Chuyển động của chất lỏng lý tưởng. Định lý

Becnuli

4.2. Hiện tượng nhớt

4.3. Lực phân tử và trạng thái lỏng

4.4. Năng lượng mặt ngoài và lực căng mặt ngoài.

4.5 Hiện tượng tại biên chất lỏng và chất rắn. Hiện tượng mao dẫn (hôm sau sẽ thảo luận)

4.1. Chuyển động của chất lỏng lý tưởng. Định lý Becnuli

• 4.1.1. Chuyển động của chất lỏng lý tưởng. Phương trình liên tục

• 4.1.2. Định lý Becnuli và ứng dụng

4.1. Chuyển động của chất lỏng lý tưởng. Đ/l Becnuli4.1.1. Chuyển động của chất lỏng lý tưởng. Phương

trình liên tục

a. Chất lỏng lý tưởng

• Là tập hợp chất điểm, khoảng cách trung bình giữa các chất điểm không đổi.

• Hình dạng khối chất lỏng thay đổi nhưng thể tích không đổi.

• Không có lực ma sát, không chịu nén.

b. Chế độ chảy dừng của chất lỏng

• Tại một điểm bất kỳ, vận tốc của chất điểm không phụ thuộc thời gian và là hàm của tọa độ v(x,y,z).

• Quỹ đạo của các chất điểm là xác định và gọi là đường dòng.

• Tập hợp các đường dòng tựa trên chu vi kín nào đó gọi là ống dòng.

• Do các chất điểm chuyển động theo các quỹ đạo nhất định nên các chất điểm không thoát ra ngoài hoặc từ ngoài lọt vào trong ống dòng.

c. Phương trình liên tục

Sau khoảng thời gian Δt, lượng chất lỏng qua S1 và S2 tương ứng là:

2211222

111 vSvStvSV

tvSV

Tổng quát: Sv = const

Ở trạng thái chảy dừng, vận tốc trung bình của các chất điểm trên một tiết diện ngang bất kỳ tỷ lệ nghịch với diện tích tiết diện ngang.

vS

vS

d.1. Định lý

• Xét chất lưu lý tưởng chảy dừng trong đoạn ống dòng có tiết diện S1, S2; có vận tốc và độ cao tương ứng v1,v2 và h1, h2 hay (z1; z2); chịu tác dụng của áp lực p1, p2. Sau khoảng thời gian Δt S1

’S2’

• Áp dụng định luật bảo toàn cơ năng: Công của áp lực bằng độ biến thiên cơ năng của khối chất lưu.

d. Định lý Becnuli

112122

22 2

1

2

1pghvpghv

S’2

S’1

Kết quả:

Tổng quát: ρv2/2 + ρgh + p = const• Tổng áp suất động, áp suất thủy lực, áp suất

tĩnh của một khối chất lỏng lý tưởng chảy dừng luôn không đổi.

• Hoặc tổng động năng riêng, thế năng riêng, năng lượng riêng của khối chất lỏng lý tưởng ở trạng thái chảy dừng luôn không đổi.

d.2. Ứng dụng định lýd.2.1. Định luật Torixenli

Xét dòng chảy dừng khối chất lỏng S, chiều cao h, v~ 0; ở đáy khối chất lỏng có lỗ thủng S1 và S1 <<< S

ghv 21 Vận tốc của phần tử chất lỏng khi chảy ra khỏi bình có trị số bằng vận tốc của nó khi rơi tự do từ mặt thoáng đến vòi.

ρv2/2 + ρgh + p0 = ρv12/2 + ρg0 + p0 trong đó p0: áp suất khí quyển

1

d.2.2. Hiện tượng Venturi

Trường hợp chất lưu chảy trong ống nằm ngang: áp suất tĩnh tỷ lệ với tiết diện

Ứng dụng: • Chế tạo bơm chân không.• Chế tạo máy phun bụi, bộ chế hòa khí ở động cơ

nổ, ở bình phun nước, bình tưới cây, bình phun nước trừ sâu.

• Sự trao đổi khí qua vùng đất nhấp nhô.

constpv 2

2

1

pSv

pSv

• 4.2. Hiện tượng nhớt

• 4.2.1. Lực ma sát nhớt

• 4.2.2. Lực cản nhớt

• 4.2.3. Tốc độ lắng

4.2.1. Lực ma sát nhớt

• Xuất hiện khi có các lớp chất lưu chuyển động với vận tốc khác nhau. Nó có tác dụng cản trở các lớp chất lưu chuyển động.

4.2. Hiện tượng nhớt

Sdx

dvF

là hệ số ma sát nhớt hay độ nhớt của chất lưu, phụ thuộc bản chất của chất lỏng và nhiệt độ.

Đơn vị : []=1kg/ms

4.2.2. Lực cản nhớt• Là lực cản tác dụng lên các vật chuyển động

trong chất lưu hoặc tác dụng lên các vật đứng yên trong chất lưu chuyển động. Nguyên nhân do chất lưu có độ nhớt .

• Công thức Stốc xác định lực cản nhớt của vật hình cầu bán kính R chuyển động với vận tốc v không quá lớn.

F=6...R.v

4.2.3. Tốc độ lắng• Xét vật có khối lượng riêng ρ0 chuyển động

trong chất lỏng có khối lượng riêng ρ. Vật sẽ chuyển động dừng khi:

P = FA + FCgπR

34

ρρgmP 3000 Vg

gπR34

ρρmgF 3A Vg

20

20

20

g.ρρ

.18

1η

g.η

ρρ.

18

1

gR.η

ρρ.

9

2v

dv

d

Với:

ρ < ρ0 tốc độ nổi

4.3. LỰC PHÂN TỬ VÀ TRẠNG THÁI LỎNG

4.3.1 Lực phân tử

4.3.2 Cấu trúc vật chất và chuyển động nhiệt của chất lỏng

4.3. Lực phân tử và cấu trúc vật chất

4.3.1. Lực phân tử

a. Lực phân tử: Là lực liên kết giữa các nguyên tử, phân tử

b. Bản chất

• Các phân tử đều cấu tạo từ các nguyên tử nên tương tác giữa các phân tử có lực điện từ.

• Tương tác giữa các phân tử gồm cả tương tác hấp dẫn

r

f

fd

f

Wt

O

O

r0

r0

r

fh

a) Lực phân tử

b) Thế năng phân tử

c. Tính chất• Lực phân tử có tính đẩy hút

- Khi r = r0 ≈ 3.10-10m thì f = 0, lực hút và lực đẩy có độ lớn bằng nhau ứng với vị trí cân bằng của phân tử

- Khi r > r0 thì lực hút chiếm ưu thế

- Khi r < r0 thì lực đẩy chiếm ưu thế• Lực phân tử có tính tác dụng gần

(r0 ≈ r < 10r0)• Lực phân tử là lực xuyên tâm và có thế

4.3.2. Các trạng thái vật chất a. Chất rắn r = r0 f = 0, Wt << Wđ các phân tử chỉ

dao động quanh vị trí cân bằng nên thể tích và kích thước không đổi.

b. Chất lỏng r ≈ r0f < 0, Wt ≈ Wđ các phân tử vừa dao động lại vừa có khả năng chuyển động trong cả khối chất lỏng nên thể tích không đổi nhưng hình dạng có thể thay đổi.

c. Chất khí r>> r0 f ≈ 0, Wt >> Wđ nên các phân tử khí có thể dịch chuyển tự do trong không gian.

4.4. Năng lượng mặt ngoài và lực căng mặt ngoài

• 4.4.1. Trạng thái căng mặt ngoài

• 4.4.2. Năng lượng mặt ngoài

• 4.4.3. Lực căng mặt ngoài

4.4.1. Trạng thái căng mặt ngoài

a. Mặt cầu bảo vệ

Nếu từ một phân tử ta vẽ mặt cầu bán kính 10r0 thì phân tử đó chỉ tương tác với các phân tử nằm trong mặt cầu.

Do tính chất đối xứng của mặt cầu nên lực tác dụng của các phân tử xung quanh lên phân tử nằm ở tâm mặt cầu xem như phân bố đối xứng (bằng 0).

4.4. Năng lượng mặt ngoài và lực căng mặt ngoài

b. Áp suất phân tửVới phân tử B, lực phân tử bằng 0. Phân tử chất lỏng chuyển động hỗn loạn phân bố đều xung quanh B lực tác dụng vào phân tử = 0Với phân tử A, nằm trên và vuông góc mặt thoáng, lực tác dụng vào phân tử hướng vào trong chất lỏng. Xung quanh A chỉ tồn tại ½ mặt cầu bảo vệ. - Ở lớp rất mỏng trên bề mặt (3.10-9m)- Không đo trực tiếp được- Có giá trị rất lớn

VD. Nước ở nhiệt độ phòng pi = 17000at

FC

B

C A

450

FA

Với phân tử C, lực tác dụng vào phân tử hướng vào trong chất lỏng. Tạo với thành bình góc 450 Xung quanh C chỉ tồn tại 1/4 mặt cầu bảo vệ chất lỏng.

c. Trạng thái căng mặt ngoài

Các phân tử ở bề mặt thoáng luôn chịu lực kéo vào trong lòng chất lỏng, diện tích mặt thoáng luôn có xu hướng co lại nhỏ nhất. Tuy nhiên lực tác dụng của các phân tử ở thành bình và lực của các phân tử lỏng chống lại xu hướng trên. Vì thế mặt thoáng ở trạng thái đặc biệt gọi là trạng thái căng mặt ngoài. Lực gây ra trạng thái căng gọi là lực căng mặt ngoài.

4.2.2. Năng lượng mặt ngoài

W = WtA - WtB; số phân tử A~ diện tích S

W = S (J/m2) là hệ số tỉ lệ phụ thuộc bản chất chất

lỏng, gọi là hệ số sức căng mặt ngoài. Nước có = 0,073N/m

cồn có = 0,04N/m W(J) năng lượng mặt ngoài, S(m2) là diện tích mặt ngoài

Ta biết rằng, hệ ở trạng thái cân bằng bền khi thế năng cực tiểu, nghĩa là diện tích co lại nhỏ nhất. VD: thả một giọt dầu trong nước thì thấy nó co lại dạng hình cầu Nước + rượu

Dầu

Tưởng tượng đưa một phân tử chất lỏng từ trong lòng CL ra phía ngoài, trong Qtrình này pải tốn một công chống lại lực kéo về. Khi đến mặt thoáng ptử dự trữ một năng lượng có giá trị bằng công nói trên. Năng lượng này dưới dạng thế năng.

4.4.3 Lực căng mặt ngoàiF= .2l;

W = S mà S=2lx W = 2l x A =FxTheo định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng A = W

F = .2l mà l là chu vi mặt ngoài màng xà phòng F = lVậy:P: có phương vuông góc với chu vi và tiếp tuyến với bề mặt chất lỏngC: Hướng ra ngoài chất lỏng

ĐL: F = l

N

M

x

4.5. Hiện tượng tại biên chất lỏng và chất rắn. Hiện tượng mao dẫn

• 4.5.1 Hiện tượng tại biên chất lỏng và chất rắn

• 4.5.2. Hiện tượng mao dẫn

4.5.1. Hiện tượng tại biên của chất lỏng 4.5. Hiện tượng tại biên của chất lỏng và chất rắn

HgH2O

Nước làm ướt thủy tinh Thủy ngân không làm ướt thủy tinh

Mặt thoáng của chất lỏng tại biên thường có dạng mặt cong lõm hoặc cong lồi.

Nếu mặt thoáng tại biên có dạng cong lõm: chất lỏng làm ướt thành bình, vd: Mặt nước trong bình thuỷ tinh

Nếu mặt thoáng tại biên có dạng cong lồi: chất lỏng khônglàm ướt thành bình, vd: giọt nước trên lá khoai nước

4.5.1.a Giải thích hiện tượng

F

F1

F2

F

F2

F1

4.5.1.b Góc làm ướt Là góc tạo bởi phần thành bình chứa chất lỏng và tiếp tuyến của mặt thoáng chất lỏng.

C C

Phân tử C chụi tác dụng của 2 lực:

F1 lực gây bởi chất lỏng nằm trong ¼ mặt cầu bảo vệ

F2 lực do thành bình gây ra

Tuỳ theo tổng hợp lực mà ta xđ chất lỏng làm ướt hay không làm ướt thành bình

H20

Hg

Ứng dụng

• Hiện tượng làm ướt không làm ướt, thường hay gặp trong thực tế: mực làm ướt ngòi bút, nước mưa không làm ướt một số lá cây; nước mưa không thấm ướt ô dù

• Tinh luyện kim loại: Người ta chọn chất lỏng làm ướt quặng chứ không làm ướt tạp chất làm nổi chất bẩn trong quặng

4.5.2 Hiện tượng mao dẫn4.5.2.1 Áp suất phụ dưới mặt cong

• Là áp suất xuất hiện phía dưới mặt cong

• Trường hợp mặt cong lồi

• Trường hợp mặt cong lõm

• Nếu mặt cong lồi R > 0, mặt cong lõm R < 0

RP

2

RP

2

RP

2

• Tổng quát:

21

11

RRP

l

F1

F2

F1

O

R

rO'

F

F2

F

4.5.2. Hiện tượng mao dẫn (Thảo luận)

a. Thí nghiệm• Lấy ống thủy tinh nhúng vào trong chất lỏng

• Là hiện tượng chất lỏng dâng lên hay hạ xuống trong các ống nhỏ hoặc vách hẹp

h

h

b. Nguyên nhân

• Nguyên nhân có mao dẫn là do áp suất phụ dưới mặt cong

c. Công thức Jurin

d. Ứng dụng

• Đóng vai trò quan

trọng trong thiên nhiên và kỹ thuật

grh

cos2

rO'

O

R

M

p0 h

N

C C'