Hình dạng của khối chất lỏng
Các khối chất lỏng (nước trong cốc rượu, rượu trong chai, thuỷ ngân trong bầu của nhiệt kế,...) có thể tích xác định nhưng không có hình dạng riêng.
Ở mặt đất dưới tác dụng của trọng lực khối chất lỏng có hình dạng của bình chứa. Ở những chỗ chất lỏng tiếp xúc với bình chứa mặt giới hạn của chất lỏng trùng với thành bên trong bình chứa.
Ở những chỗ chất lỏng không tiếp xúc với bình chứa, mặt giới hạn gọi là mặt thoáng. Trên mặt thoáng có thể là không khí, một chất khí nào đó hoặc chân không. Thông thường mặt thoáng là mặt phẳng nằm ngang.
Các khối chất lỏng ở trạng thái không trọng lượng, các khối chất lỏng chịu tác dụng những lực cân bằng nhau (giọt anilin trong dung dịch muối) đều có dạng hình cầu.
Cấu trúc phân tử của chất lỏng
a) Sự sắp xếp phân tử và chuyển động nhiệt
- Mật độ phân tử ở chất lỏng lớn gấp nhiều lần mật độ phân tử trong chất khí nhưng gần bằng mật độ phân tử trong chất rắn.
Trong chất lỏng khoảng cách giữa các phân tử có độ lớn và khoảng kích thước phân tử, do đó các phân tử chất lỏng chuyển động rất khó khăn. Mỗi phân tử trong chất lỏng luôn luôn dao động hỗn độn xung quanh một vị trí cân bằng xác định. Sau một khoảng thời gian nào đó do tương tác với các phân tử ở gần, nó nhảy sang một vị trí xác định khác và lại dao động hỗn độn xung quanh vị trí này một thời gian, rồi lại nhảy sang một vị trí xác định mới,...
Chuyển động mô tả ở trên là chuyển động nhiệt của các phân tử trong chất lỏng. Khi nhiệt độ của chất lỏng tăng lên thì chuyển động nhiệt tăng.
b) Thời gian cư trú
- Thời gian một phân tử dao động xung quanh một vị trí xác định tính từ lúc đến tới lúc đi gọi là thời gian cư trú. Nhiệt độ của chất lỏng càng cao thì thời gian cư trú càng ngắn, trật tự sắp xếp các phân tử thay đổi tính chất hỗn độn càng tăng. Chất lỏng ở nhiệt độ cao có cấu trúc gần với chất khí.
- Ở nhiệt độ không cao cấu trúc của chất lỏng giống cấu trúc của chất vô định hình. Sự khác nhau chỉ ở chỗ các phân tử trong chất vô định hình chuyển động vị trí dao động chậm hơn trong chất lỏng. Nói cách khác là thời gian cứ trú của phân tử trong chất vô định hình lớn hơn trong chất lỏng. Do đó về mặt cấu trúc người ta có thể xếp chất vô định hình vào laọi chất lỏng. Sự chuyển từ trạng thái vô định hình sang trạng thái lỏng được thực hiện một cách liên tục vì không có sự thay đổi đột ngột về cấu trúc.
Hiện tượng căng mặt ngoài
Hiện tượng thanh AB bị dịch chuyển có thể giải thích được nếu ta công nhận rằng từ mặt thoáng của chất lỏng có những lực tác dụng lên thanh AB. Những lực này có phương tiếp tuyến với mặt thoáng của chất lỏng và vuông góc với đường giới hạn của mặt thoáng có chiều sao cho lực có tác dụng thu nhỏ diện tích mặt ngoài của chất lỏng. Nhũng lực này được gọi là lực căng mặt ngoài của chất lỏng.
Do có lực căng mặt ngoài mà các khối chất lỏng không chịu tác dụng của ngoại lực đều có dạng hình cầu vì hình cầu là hình có diện tích mặt ngoài nhỏ nhất ứng với một thể tích nhất định.
Thí nghiệm ở hình 7.1b cho phép đo độ lớn của lực căng mặt ngoài. Vì màng xà phòng có hai mặt thoáng (mặt dưới và mặt trên) nên khi màng xà phòng ở trạng thái cân bằng ta có :
trong đó F là lực căng mặt ngoài tác dụng lên thanh AB.
Các phép đo chính xác cho thấy lực căng mặt ngoài F tỉ lệ với chiều dài l của đường giới hạn mặt ngoài của chất lỏng :
s là hệ số tỉ lệ có độ lớn phụ thuộc vào bản chất của chất lỏng và gọi là hệ số căng mặt ngoài của chất lỏng. Trong hệ SI nếu F = 1N, l = 1m thì s = 1 đơn vị hệ số căng mặt ngoài có tên gọi là niutơn trên mét, kí hiệu N/m.
Nước nguyên chất ở 0oC
Ngướic nguyên chất ở 20oC
Dung dịch xà phòng ở 20oC
Thuỷ ngân ở 20oC
Hêli lỏng ở -269oC
Sự dính ướt và không dính ướt
Khi lực hút giữa các phân tử chất rắn và các phân tử chất lỏng mạnh hơn lực hút giữa các phân tử chất lỏng với nhau thì có hiện tượng dính ướt.
Ngược lại, nếu lực hút giữa các phân tử của chất lỏng với nhau lớn hơn lực hút giữa các phân tử chất lỏng với những phân tử của chất rắn, thì có hiện tượng không dính ướt.
Sự dính ướt và không dính ướt có thể dùng để giải thích nhiều hiện tượng tự nhiên và có nhiều ứng dụng thực tế.
- Mặt chất lỏng trong bình. Khi chất lỏng làm dính ướt thành bình thì lực hút giữa các phân tử chất rắn và chất lỏng hút chất lỏng lên thành bình do đó ở gần thành bình chất lỏng bị két lên làm cho mặt chất lỏng gần thành bình là một mặt lõm (h.7.2a). Khi chất lỏng không làm dính ướt thành bình thì lực hút giữa các phân tử chất lỏng hút các phân tử chất lỏng gần thành bình về phía chất lỏng. Do đó mặt chất lỏng gần thành bình là mặt lồi (h.7.2b).
- Muốn loại bẩn quặng người ta nghiền quặng thành bột rồi đổ vào nước có pha dầu và quấy lên. Hỗn hợp hai chất lỏng có chứa những bọt không khí bọc trong những màng dầu. Những hạt quặng dính ướt vào màng dầu nổi lên mặt nước cùng với bọt không khí còn những hạt bẩn quặng chìm xuống đáy nước.
Hiện tượng
Hiện tượng mao dẫn là hiện tượng chất lỏng trong các ống có tiết diện nhỏ được dâng lên hoặc hạ xuống so với mực chất lỏng trong bình.
Các ống có tiết diện nhỏ, trong đó xảy ra hiện tượng mao dẫn, gọi là ống mao dẫn hay mao quản.
Công thức tính độ cao (độ dâng mặt thoáng) chất lỏng dân lên trong ống mao dẫn
Bằng những lí luận và phép tính phức tạp người ta có thể giải thích được hiện tượng mao dẫn bằng lực căng mặt ngoài và khả năng làm dính ướt thành ống của chất lỏng, đồng thời tính được độ dâng h của mặt thoáng chất lỏng trong ống mao dẫn (H.8.3)
trong đó s là hệ số căng mặt ngoài của chất lòng; D là khối lượng riêng của chất lỏng; g là gia tốc trọng trường và d là đường kính bên trong của ống.
Trường hợp chất lỏng hoàn toàn không làm dính ướt ống thì công thức trên cho ta độ hạ mặt thoáng trong ống mao dẫn (H.8.4).
Có thể làm thí nghiệm đo độ dâng mặt thoáng h và nghiệm lại công thức (8.1).
Trong tự nhiên có rất nhiều vật có cấu tạo giống như một hệ thống các ống mao dẫn. Rễ cây và thân cây có một hệ thống các ống dẫn có đường kính nhỏ hơn một phần trăm milimet. Giấy thấm gồm một mạng lưới các sợi giấy ghép sát nhau tạo thành những ống mao dẫn. Bấc đèn cũng có một hệ thống các ống dài rất nhỏ do các sợi vải tạo nên... Nhờ có hệ thống các ống mao dẫn này mà những vật nói trên có khả năng hút một số chất lỏng lên cao.
Các khối chất lỏng (nước trong cốc rượu, rượu trong chai, thuỷ ngân trong bầu của nhiệt kế,...) có thể tích xác định nhưng không có hình dạng riêng.
Ở mặt đất dưới tác dụng của trọng lực khối chất lỏng có hình dạng của bình chứa. Ở những chỗ chất lỏng tiếp xúc với bình chứa mặt giới hạn của chất lỏng trùng với thành bên trong bình chứa.
Ở những chỗ chất lỏng không tiếp xúc với bình chứa, mặt giới hạn gọi là mặt thoáng. Trên mặt thoáng có thể là không khí, một chất khí nào đó hoặc chân không. Thông thường mặt thoáng là mặt phẳng nằm ngang.
Các khối chất lỏng ở trạng thái không trọng lượng, các khối chất lỏng chịu tác dụng những lực cân bằng nhau (giọt anilin trong dung dịch muối) đều có dạng hình cầu.
Cấu trúc phân tử của chất lỏng
a) Sự sắp xếp phân tử và chuyển động nhiệt
- Mật độ phân tử ở chất lỏng lớn gấp nhiều lần mật độ phân tử trong chất khí nhưng gần bằng mật độ phân tử trong chất rắn.
Trong chất lỏng khoảng cách giữa các phân tử có độ lớn và khoảng kích thước phân tử, do đó các phân tử chất lỏng chuyển động rất khó khăn. Mỗi phân tử trong chất lỏng luôn luôn dao động hỗn độn xung quanh một vị trí cân bằng xác định. Sau một khoảng thời gian nào đó do tương tác với các phân tử ở gần, nó nhảy sang một vị trí xác định khác và lại dao động hỗn độn xung quanh vị trí này một thời gian, rồi lại nhảy sang một vị trí xác định mới,...
Chuyển động mô tả ở trên là chuyển động nhiệt của các phân tử trong chất lỏng. Khi nhiệt độ của chất lỏng tăng lên thì chuyển động nhiệt tăng.
b) Thời gian cư trú
- Thời gian một phân tử dao động xung quanh một vị trí xác định tính từ lúc đến tới lúc đi gọi là thời gian cư trú. Nhiệt độ của chất lỏng càng cao thì thời gian cư trú càng ngắn, trật tự sắp xếp các phân tử thay đổi tính chất hỗn độn càng tăng. Chất lỏng ở nhiệt độ cao có cấu trúc gần với chất khí.
- Ở nhiệt độ không cao cấu trúc của chất lỏng giống cấu trúc của chất vô định hình. Sự khác nhau chỉ ở chỗ các phân tử trong chất vô định hình chuyển động vị trí dao động chậm hơn trong chất lỏng. Nói cách khác là thời gian cứ trú của phân tử trong chất vô định hình lớn hơn trong chất lỏng. Do đó về mặt cấu trúc người ta có thể xếp chất vô định hình vào laọi chất lỏng. Sự chuyển từ trạng thái vô định hình sang trạng thái lỏng được thực hiện một cách liên tục vì không có sự thay đổi đột ngột về cấu trúc.
Hiện tượng căng mặt ngoài
Hiện tượng thanh AB bị dịch chuyển có thể giải thích được nếu ta công nhận rằng từ mặt thoáng của chất lỏng có những lực tác dụng lên thanh AB. Những lực này có phương tiếp tuyến với mặt thoáng của chất lỏng và vuông góc với đường giới hạn của mặt thoáng có chiều sao cho lực có tác dụng thu nhỏ diện tích mặt ngoài của chất lỏng. Nhũng lực này được gọi là lực căng mặt ngoài của chất lỏng.
Do có lực căng mặt ngoài mà các khối chất lỏng không chịu tác dụng của ngoại lực đều có dạng hình cầu vì hình cầu là hình có diện tích mặt ngoài nhỏ nhất ứng với một thể tích nhất định.
Thí nghiệm ở hình 7.1b cho phép đo độ lớn của lực căng mặt ngoài. Vì màng xà phòng có hai mặt thoáng (mặt dưới và mặt trên) nên khi màng xà phòng ở trạng thái cân bằng ta có :
P = 2F
Các phép đo chính xác cho thấy lực căng mặt ngoài F tỉ lệ với chiều dài l của đường giới hạn mặt ngoài của chất lỏng :
F = s l
Bảng hệ số căng mặt ngoài của một chất
Chất lỏng
Hệ số căng mặt ngàoi (N/m)
Ngướic nguyên chất ở 20oC
Dung dịch xà phòng ở 20oC
Thuỷ ngân ở 20oC
Hêli lỏng ở -269oC
75,5. 10-3
72,5. 10-3
40. 10-3
470. 10-3
0.12. 10-3
Sự dính ướt và không dính ướt
Khi lực hút giữa các phân tử chất rắn và các phân tử chất lỏng mạnh hơn lực hút giữa các phân tử chất lỏng với nhau thì có hiện tượng dính ướt.
Ngược lại, nếu lực hút giữa các phân tử của chất lỏng với nhau lớn hơn lực hút giữa các phân tử chất lỏng với những phân tử của chất rắn, thì có hiện tượng không dính ướt.
Sự dính ướt và không dính ướt có thể dùng để giải thích nhiều hiện tượng tự nhiên và có nhiều ứng dụng thực tế.
- Mặt chất lỏng trong bình. Khi chất lỏng làm dính ướt thành bình thì lực hút giữa các phân tử chất rắn và chất lỏng hút chất lỏng lên thành bình do đó ở gần thành bình chất lỏng bị két lên làm cho mặt chất lỏng gần thành bình là một mặt lõm (h.7.2a). Khi chất lỏng không làm dính ướt thành bình thì lực hút giữa các phân tử chất lỏng hút các phân tử chất lỏng gần thành bình về phía chất lỏng. Do đó mặt chất lỏng gần thành bình là mặt lồi (h.7.2b).
- Muốn loại bẩn quặng người ta nghiền quặng thành bột rồi đổ vào nước có pha dầu và quấy lên. Hỗn hợp hai chất lỏng có chứa những bọt không khí bọc trong những màng dầu. Những hạt quặng dính ướt vào màng dầu nổi lên mặt nước cùng với bọt không khí còn những hạt bẩn quặng chìm xuống đáy nước.
Hiện tượng
Hiện tượng mao dẫn là hiện tượng chất lỏng trong các ống có tiết diện nhỏ được dâng lên hoặc hạ xuống so với mực chất lỏng trong bình.
Các ống có tiết diện nhỏ, trong đó xảy ra hiện tượng mao dẫn, gọi là ống mao dẫn hay mao quản.
Công thức tính độ cao (độ dâng mặt thoáng) chất lỏng dân lên trong ống mao dẫn
Bằng những lí luận và phép tính phức tạp người ta có thể giải thích được hiện tượng mao dẫn bằng lực căng mặt ngoài và khả năng làm dính ướt thành ống của chất lỏng, đồng thời tính được độ dâng h của mặt thoáng chất lỏng trong ống mao dẫn (H.8.3)
trong đó s là hệ số căng mặt ngoài của chất lòng; D là khối lượng riêng của chất lỏng; g là gia tốc trọng trường và d là đường kính bên trong của ống.
Trường hợp chất lỏng hoàn toàn không làm dính ướt ống thì công thức trên cho ta độ hạ mặt thoáng trong ống mao dẫn (H.8.4).
Có thể làm thí nghiệm đo độ dâng mặt thoáng h và nghiệm lại công thức (8.1).
Trong tự nhiên có rất nhiều vật có cấu tạo giống như một hệ thống các ống mao dẫn. Rễ cây và thân cây có một hệ thống các ống dẫn có đường kính nhỏ hơn một phần trăm milimet. Giấy thấm gồm một mạng lưới các sợi giấy ghép sát nhau tạo thành những ống mao dẫn. Bấc đèn cũng có một hệ thống các ống dài rất nhỏ do các sợi vải tạo nên... Nhờ có hệ thống các ống mao dẫn này mà những vật nói trên có khả năng hút một số chất lỏng lên cao.
