Chất khí luôn chiếm toàn bộ thể tích bình chứa nên không có mặt thoáng, còn chất lỏng có thể tích xác định nên có mặt thoáng, là mặt phân cách giữa thể tích khối
Hỗnh 8.2
chất và phần còn lại. Các phân tử nằm ở mặt thoáng (mặt ngoài) có những đặc điểm rất riêng khác với các phân tử nằm trong lòng khối chất. Từ đó chúng gây nên các hiện tượng mặt ngoài của chất lỏng.
8.2.1 Áp suất phân tử
8.2.1.1 Hình cầu tác dụng
Các phân tử chất lỏng ở khá gần nhau, lực tương tác phân tử là lực hút; lực nầy giảm nhanh khi khoảng cách r tăng. Do vậy khi xét lực hút gây bởi các phân tử lỏng lên một phân tử M thì ta chỉ chú ý đến các phân tử nằm cách M một khoảng không qúa xa.
Gọi r là khoảng cách lớn nhất mà các phân tử khác còn ảnh hưởng đáng kể đến M. Từ M vẽ một mặt cầu tâmM bán kính r được gọi là mặt cầu tác dụng phân tử; r là bán kính tác dụng
phân tử (cỡ 10-9m); chỉ có những phân tử nào có tâm nằm trong mặt cầu nầy thì mới tương tác với phân tử M.
8.2.1.2 Áp suất phân tử
Xét hai phân tử A và B mà A nằm hoàn toàn trong khối chất lỏng; còn B nằm gần mặt thoáng.
Do A nằm cách xa mặt thoáng nên mặt cầu tác dụng của A nằm hoàn toàn trong lòng khối chất, từ đó phân tử A bị hút đều về mọi hướng, lực hút tổng hợp tác dụng lên A là f = 0; A ở cân bằng.
Đối với phân tử B nằm gần mặt thoáng, khoảng cách từ B đến mặt thoáng là d (d < r). Thì mặt cầu tác dụng của B không nằm hoàn toàn trong khối chất. Lực hút do các phân tử quanh B tác dụng lên B không cân bằng, từ đó lực tổng hợp tác dụng lên B là lực f hướng vào trong lòng khối chất lỏng; các phân tử nằm ở lớp mặt ngoài cũng chịu một lực f như thế. Lớp phân tử nầy ép lên phần chất lỏng bên trong và gây ra một áp suất gọi là áp suất phân tử.
8.2.1.3 Đặc điểm
Áp suất phân tử không tác dụng lên vật đặt trong chất lỏng, vì rằng lớp chất lỏng bao quanh vật cũng chính là lớp mặt ngoài, ở đó lựcĠ hướng vào trong khối chất lỏng chứ không hướng vào vật; nên không thể đo được áp suất phân tử bằng dụng cụ thí nghiệm.
Áp suất phân tử có giá trị rất lớn; một cách gần đúng ta có thể tính được áp suất phân tử bằng lý thuyết theo công thức (7.4) 2
V
pi = a . Kết quả:
- Đối với nước: pi ≈ 11.000atm
Hỗnh M 8 3
A r B
Hỗnh 8 4
- Đối với rượu etylic: pi ≈ 2400atm
Dù áp suất phân tử rất lớn nhưng nó không thể nén các phân tử lỏng sít lại được vì khi khoảng cách 2 phân tử nhỏ hơn r0 thì lại xuất hiện lực tương tác đẩy cũng rất lớn. Điều nầy cũng giải thích tại sao chất lỏng rất khó nén, để nén được chất lỏng thì áp suất ngoài đặt lên nó phải tương đương với áp suất phân tử.
Cỏc phõn tử lỏng ở lớùp mặt ngoài chịu tỏc dụng của ỏp suất phõn tử hướng vào trong nên nó có khuynh hướng di chuyển vào trong lòng khối chất lỏng; trạng thái của các phân tử ở lớp mặt ngoài rất riêng như có: năng lượng mặt ngoài, lực căng mặt ngoài...
8.2.2 Năng lượng mặt ngoài
Xét lại trường hợp của 2 phân tử A, B; về mặt năng lượng.
- Đối với phân tử B ở lớp mặt ngoài:
W(B) = Wđ(B) + Wt(B)
= tổng động năng chuyển động nhiệt + thế năng tương tác - Đối với phân tử A nằm trong lòng khối chất:
W(A) = Wđ(A) + Wt(A) Nếu nhiệt độ của cả khối T = const thì:
Wđ(A) = Wđ(B) =Ġ còn:
Wt(A) < Wt(B) vì thế năng tương tác Wt(A) ứng với lực hút phân tử tổng hợp f = 0; còn Wt(B) ứng với lực hút phân tử fĠ0.
Từ đó năng lượng W(B) > W(A) tức là phân tử chất lỏng ở lớp mặt ngoài có năng lượng lớn hơn phân tử ở bên trong lòng khối chất lỏng; chính sự chênh năng lượng nầy hình thành năng lượng mặt ngoài của khối chất lỏng.
Số phân tử lớp mặt ngoài càng nhiều thì năng lượng mặt ngoài càng lớn, vì vậy năng lượng mặt ngoài tỷ lệ với diện tích mặt ngoài.
Gọi ∆E, ∆S: là năng lượng và diện tích mặt ngoài. Ta có:
ΔE = α ΔS (8.2)
α: hệ số tỉ lệ được gọi là hệ số suất căng mặt ngoài Trong hệ SI: α[j/m2]
+ Hình dạng mặt ngoài:
Ta biết rằng một hệ luôn có khuynh hướng thu về vị trí cân bằng:ở đó thế năng đạt cực tiểu; chất lỏng cũng vậy: nó luôn có khuynh hướng tiến về vị trí cân bằng bền;
ở đó diện tích mặt ngoài bé nhất, ứng với năng lượng mặt ngoài bé nhất.
Ví dụ : nhỏ một giọt dầu vào nước, giọt dầu nổi trên mặt nước, do tác dụng của trọng lực giọt dầu bị dẹt lại. Pha thêm vào nước một ít cồn, tỉ trọng của dung dịch cồn giảm
Hỗnh 8 5
dần, giọt dầu chìm dần đến khi tỉ trọng của dung dịch bằng tỉ trọng của dầu, trọng lượng của giọt dầu cân bằng với lực đẩyArchimede, giọt dầu lơ lửng trong dung dịch, khi đó nó có dạng hình cầu (cấu hình mà diện tích mặt ngoàiĠS bé nhất ứng với năng lượng mặt ngoài bé nhất).
Từ đó :Nếu không chịu tác dụng của trường lực ngoài, thì một khối chất lỏng tự do sẽ thu về dạng hình cầu. Mặt ngoài của khối chất sẽ có dạng một màng căng.
8.2.3 Lực căng mặt ngoài 8.2.3.1 Lực căng mặt ngoài
Giả sử một màng cao su được căng ra dưới tác dụng của ngọai lực. Khi đó ngoại lực phải có phương tiếp tuyến với màng; có chiều: ngược chiều với chiều co lại của màng.
Tương tự, khi mặt ngoài của chất lỏng có dạng một mặt căng thì trên mặt ngoài của chất lỏng có lực căng; lực căng mặt ngoài có tác dụng làm diện tích mặt ngoài bị co lại sao cho nó có giá trị bé nhất. Từ đó đặc điểm của lực căng mặt ngoài như sau:
- Tiếp tuyến với mặt ngoài.
- Vuông góc với đường congĠl vạch trên mặt ngoài.
- Độ lớn tỉ lệ vớiĠl
ΔF = α Δl (8.3)
α: Hệ số căng mặt ngoài (hay suất căng mặt ngoài).
8.2.3.2 Thí nghiệm xác định lực căng mặt ngoài
Một khung dây thép có cạnh MN = l có thể dịch chuyển được. Nhúng khung dây vào nước xà phòng rồi lấy ra ta được 1 màng xà phòng (có 2 lớp) hình chữ nhật.
Nếu để tự nhiên thì màng xà phòng sẽ co lại; để giữ cho màng xà phòng khỏi co lại ta cần tác dụng lên MN 1 lực F có độ lớn bằng lực căng mặt ngoài
Tưởng tượng dưới tác dụng của lựcĠ làm cạnh MN dịch một đoạn ∆x bé. Khi đó diện tích mnặt ngoài tăng lên ΔS = 2l.Δx
Công của dịch chuyển : ΔA = F. Δx
Do mặt ngoài tăng, nên năng lượng mặt ngoài tăng ΔE = α.ΔS = 2αl. Δx
Theo BTBĐNL công dịch chuyển bằng độ tăng năng lượng mặt ngoài:
⇒ ΔA = ΔE ⇒ F. Δx = 2αlΔx
⇒ F = 2.α.l
F
F’
Δl (C)
Hỗnh 8 6
M N
F M
N Δx
Hỗnh 8 7
Tổng quát: lực căng mặt ngoài tác dụng lên một đoạn chu vi ∆l của mặt
ngoài là : ΔF = α Δl (8.4)
Từ đó: α = ΔΔFl ( )Nm (8.5)
- Hệ số suất căng mặt ngoài có độ lớn bằng lực căng tác dụng lên một đơn vị đường chu vi của mặt ngoài.
Hệ số α của một chất lỏng cho trước phụ thuộc vào nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng α giảm.
8.2.4 Một số hiện tượng gây bởi lực căng mặt ngoài 8.2.4.1 Sự nhỏ giọt
Đổ chất lỏng qua ống khá nhỏ, chất lỏng không chảy thành dòng mà thành từng giọt.
- Giải thích:
Khi khối lỏng bắt đầu chảy ra khỏi miệng ống, giọt nước có trọng lượng bé nên bị màng mặt ngoài giữ lại, tạo thành một giọt phồng to dần và bị thắt lại ở miệng ống. Khi trọng lượng giọt đủ lớn thắng được lực căng mặt ngoài tác dụng lên đường kính chu vi vòng thắt ở miệng ống thì chỗ thắt bị đứt, giọt chất lỏng rơi xuống và giọt khác được hình thành; trọng lượng các giọt đều bằng nhau.
8.2.4.2 Kim nổi trên mặt nước
Một kim khâu bôi dầu được đặt nhẹ nhàng trên mặt nước, khi đó kim nổi trên mặt nước dù rằng khối lượng riêng của kim lớn hơn khối lượng riêng của nước rất nhiều.
- Giải thích:
Do kim khâu dính dầu nên không bị làm ướt, mặt nước chỗ đặt kim bị lõm xuống, làm xuất hiện lực căng mặt ngoài tại mép ngoài chỗ tiếp giáp giữa kim và nước, lực nầy có tác dụng kéo kim khâu lên phía trên, làm kim có khả năng nổi trên mặt nước.
8.2.4.3 Đổ nước trên tấm lưới
Có thể đổ nước chảy trên một tấm lưới có lỗ nhỏ mà nước không bị rỉ qua các lỗ nhỏ của lưới. Điều nầy do lực căng mặt ngoài của màng nước bám dưới lưới gây nên (tương tự như hiện tượng nước chảy thành giọt).
F F’
gioüt Hỗnh 8.8
Hỗnh 8.9
Hỗnh