tiểu luận nhiệt học hiện tượng mao dẫn

Hình 1a Thí nghiệm 2: Bây giờ ta sẽ tiếp tục làm thí nghiệm với thủy ngân và thấy rằng mực thủy ngân trong ống có sự thay đổi, chúng không dâng cao nữa mà lại hạ xuống Hình 1b Thí nghi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

.. _

BÀI TIỂU LUẬN:

HIỆN TƯỢNG MAO DẪN

Giảng viên : Nguyễn Thanh Loan Sinh viên: Đặng Thị Hồng Loan K40.102.041

Nguyễn Thị Diễm Trang K40.102.091

TP Hồ Chí Minh, tháng 10/2015

A MỞ ĐẦU 2

B NỘI DUNG 3

I HIỆN TƯỢNG MAO DẪN 3

I.1 QUAN SÁT HIỆN TƯỢNG 3

I.2 ĐỊNH NGHĨA 4

I.3 GIẢI THÍCH 4

I.4 TÍNH ĐỘ CHÊNH LỆCH CỦA MỰC CHẤT LỎNG DO MAO DẪN 5

II MỘT SỐ VÍ DỤ VÀ ỨNG DỤNG VỀ HIỆN TƯỢNG MAO DẪN 6

II.1 GIẤY THẤM, GẠCH THẤM, SỢI VẢI, 6

II.2 ỨNG DỤNG LÀM ĐÈN DẦU 7

II.3 ỨNG DỤNG LÀM BÚT MÁY 8

II.4 SỰ HÚT NƯỚC VÀ CHẤT DINH DƯỠNG CỦA CÂY- HOA NHUỘM MÀU- PHƯƠNG PHÁP TRỒNG THỦY CANH 9

II.5 NƯỚC MẮT, HIỆN TƯỢNG Ù TAI, HIỆN TƯỢNG MÁU “SÔI” 10

II.6 TRONG NÔNG NGHIỆP 11

II.7 TRONG Y HỌC 12

II.8 TRONG THỦY VĂN 13

II.9 TRONG XÂY DỰNG 14

C KẾT LUẬN 16

TÀI LIỆU THAM KHẢO 16

Như chúng ta đã biết Vật Lý là một môn khoa học vô cùng lí thú Các hiện tượng vật lý dường như xuất hiện và được ứng dụng trong mọi mặt của đời sống chúng ta Mục đích của môn học là giúp cho học sinh hiểu đúng đắn và hoàn chỉnh, nâng cao vốn tri thức, tầm hiểu biết về thế giới xung quanh và con người thông qua các bài học, giờ thực hành, Học Vật Lý là để hiểu, để giải thích được các vấn đề của tự nhiên, của cuộc sống thông qua việc tìm hiểu các thuyết, các định luật chi phối quy luật tự nhiên, đồng thời là khởi nguồn, là cơ sở phát huy tính sáng tạo các ứng dụng phục vụ đời sống con người Nó như một thứ gia vị trong đời sống không thể thay cho thức ăn nhưng thiếu nó thì kém đi hiệu quả ăn uống Có người biết rồi

và cũng có người chưa biết biết thêm sẽ thấy thế giới kì diệu hơn Có lẽ trong đời sống chúng ta đều gặp rất nhiều hiện tượng thú vị, tưởng chừng đơn giản nhưng thật không đơn giản chút nào Đặt ra câu hỏi và tìm lời giải đáp không phải chỉ là để thỏa mãn tính hiếu kì mà còn có nhiều ý nghĩa Mặc dù nhiều điều rất đỗi bình thường xung quanh chúng ta nhưng ngẫm nghĩ lại rất kì lạ và không thể nào giải thích rõ bằng kiến thức bình thường Thế nhưng Vật lý lại có thể giúp ta giải thích, hiểu sâu và rõ hơn những thắc mắc đó Có bao giờ ta tự hỏi: Nước thì luôn chảy từ chỗ cao đến chỗ thấp Vậy tại sao rễ cây lại có thể hút nước và chất dinh dưỡng từ dưới đất sâu nuôi sống cây? Và có bao giờ bạn nghe nói gì về hoạt động mao dẫn? Hay bạn chỉ được học với những lí thuyết suông với suy nghĩ đó đơn giản chỉ là một hiện tượng nhỏ trong vô vàn những hiện tượng vật lý mà không có chút ấn tượng gì

về hiện tượng này trong thực tế Và nếu đó là sự thật thì sẽ thật vô nghĩa khi những kiến thức vật lý lại bị xem là những kiến thức trừu tượng, xa rời cuộc sống Có rất nhiều câu hỏi tương tự như vậy trong đời sống hằng ngày, nếu ta không chú ý thì không sao nhưng nếu tò mò muốn tìm cách giải đáp thì thật không đơn giản.Và tất

cả câu hỏi về các hiện tượng trên do đâu mà có? Vâng, tất cả đều nhờ vào hiện tượng mao dẫn- một hiện tượng rất phổ biến trong lĩnh vực Nhiệt học Chắc hẳn mọi người đều hiểu khái niệm nhưng có mấy ai hiểu rõ về sự hiện diện của hiện tượng này trong thực tế Để giúp mọi người hiểu rõ hơn về hiện tượng mao dẫn, nó

có đặc điểm gì, ứng dụng ra sao, chúng em sẽ trình bày về “ Hiện tượng mao dẫn” Bài tiểu luận gồm hai phần:phần đầu giới thiệu về hiện tượng mao dẫn và phần hai quan trọng nhất nêu lên một số ứng dụng của hiện tượng mao dẫn.Có thể bài tiểu luận này chỉ giúp ta hiểu một mảng nhỏ của Vật Lý nhưng có lẽ đây cũng là một tài liệu tham khảo bổ ích cho các bạn

LỜI NÓI ĐẦU

I HIỆN TƯỢNG MAO DẪN

Thí nghiệm 1: Ta lấy ống thủy tinh hở hai đầu có đường kính trong nhỏ nhúng thẳng đứng vào một chậu nước và quan sát hiện tượng xảy ra Ta nhận thấy mực nước trong ống dâng lên và cao hơn mực nước ở chậu Nhưng tại sao lại như vậy bởi ta luôn nghĩ rằng mực nước trong ống và chậu phải ngang nhau theo nguyên tắc bình thông nhau Nếu ta thay nước bằng một loại chất lỏng khác thì sao, mực nước trong ống có tiếp tục dâng cao không? (Hình 1a)

Thí nghiệm 2: Bây giờ ta sẽ tiếp tục làm thí nghiệm với thủy ngân và thấy rằng mực thủy ngân trong ống có sự thay đổi, chúng không dâng cao nữa mà lại hạ

xuống (Hình 1b)

Thí nghiệm 3: Ta tiếp tục làm thí nghiệm khác để quan sát độ dâng lên hay hạ xuống của các chất lỏng đó Nhúng các ống có đường kính trong khác nhau vào cùng một loại chất lỏng và kết quả là độ chênh lệch mực chất lỏng của các ống khác nhau (Hình 2)

Hình 2: Hiện tượng mao dẫn trong các ống có đường kính trong khác nhau

Hình 1: Sự khác biệt giữa

hiện tượng mao dẫn trong

nước và thủy ngân

NỘI DUNG

Hiện tượng mao dẫn không chỉ xảy ra ở những ống có bán kính trong nhỏ (gọi

là ống mao dẫn) mà còn xảy ra cả ở những khe hẹp, vách hẹp, các vật xốp, Hình dưới đây cho ta thấy nước dâng lên trong khe hẹp giữa hai tấm thủy tinh đặt song song

I.2 ĐỊNH NGHĨA

Tất cả các thí nghiệm trên có được là do đâu? Đó chính là nhờ vào hiện tượng mao dẫn? Vậy thế nào là hiện tượng mao dẫn?

Hiện tượng mao dẫn là hiện tượng dâng lên hay hạ xuống của mực chất lỏng ở bên trong các ống có đường kính trong nhỏ, trong các vách hẹp, khe hẹp, các vật xốp,… so với mực chất lỏng bên ngoài

I.3 GIẢI THÍCH

Hiện tượng mao dẫn có thể được giải thích trên cơ sở sự căng bề mặt và sự dính ướt hay không dính ướt Lực căng mặt ngoài dọc theo đường cong giới hạn mặt khum của chất lỏng tiếp giáp với thành ống là nguyên nhân gây nên hiện tượng mao dẫn

Từ các thí nghiệm đơn giản trên ta thấy rằng mực chất lỏng trong ống dâng lên hay hạ xuống tùy theo loại chất lỏng ấy làm ướt hay không làm ướt thành ống Nếu chất lỏng làm ướt bề mặt ống (ví dụ ống thủy tinh nhúng trong nước) thì mực chất lỏng trong ống sẽ dâng lên cao hơn so với mặt thoáng của chất lỏng bên ngoài đồng thời bề mặt chất lỏng trong ống có dạng mặt khum lõm Đối với bình chứa có đường kính lớn thì độ cong này không đáng kể nhưng trong ống mao dẫn do bán kính bé

Hình 3: Nước dâng lên trong khe hẹp

nên độ cong của bề mặt chất lỏng rất lớn.Nếu chất lỏng không làm ướt bề mặt ống (ví dụ ống thủy tinh nhúng trong thủy ngân) thì mực chất lỏng bên trong ống sẽ hạ thấp hơn so với mặt thoáng của chất lỏng bên ngoài đồng thời bề mặt chất lỏng trong ống có dạng mặt khum lồi

Như vậy với thí nghiệm thứ ba nếu đường kính trong của các ống càng nhỏ thì mức độ dâng cao hoặc hạ thấp của mực chất lỏng bên trong ống so với bề mặt chất lỏng bên ngoài ống càng lớn

Ta thừa nhận các phân tử chất lỏng có khuynh hướng thu nhỏ diện tích bề mặt phân cách chất lỏng và môi trường ngoài Khi cho ống vào chất lỏng, trong lòng ống hình thành một mặt phân cách, mặt này có khuynh hướng co lại nhưng lại bị các phân tử của ống kéo căng ra, sự giằng co giữa hai lực này làm mực nước trong ống dâng lên hay hạ xuống Trường hợp dâng lên là lực kéo giữa phân tử của ống và nước đã thắng lực kéo giữa nước và nước, mực nước dâng lên đến khi nào trọng lực

do cột chất lỏng gây ra kết hợp với lực của các phân tử nước cân bằng với lực giữa phân tử ống và nước Trường hợp hạ xuống là ngược lại, các phân tử nước đã thắng lực hút của các phân tử của ống, mực nước hạ xuống cho đến khi mực chất lỏng bên ngoài cao hơn một khoảng nào đó tạo áp lực đẩy chất lỏng ngược lại vào trong kết hợp với lực hút của phân tử của ống cân bằng với lực hút phân tử nước thì quá trình dừng lại

I.4 TÍNH ĐỘ CHÊNH LỆCH CỦA MỰC CHẤT LỎNG TRONG

ỐNG MAO DẪN

Độ dâng cao hoặc hạ thấp của mực chất lỏng trong ống mao dẫn so với mặt thoáng bên ngoài ống được xác định theo công thức:

σ (N/m) : hệ số căng bề mặt của chất lỏng

ρ (N/m3) : khối lượng riêng của chất lỏng

g(m/s2 ) : gia tốc trọng trường

d (m) : đường kính trong của ống mao dẫn

h (m) : độ dâng lên hay hạ xuống của ống

II MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG MAO DẪN

Trong tự nhiên và cuộc sống hàng ngày có rất nhiều ví dụ được giải thích bằng hiện tượng mao dẫn Hiện tượng mao dẫn đóng vai trò quan trọng trong tự nhiên, khoa học, công nghệ, cả trong kĩ thuật và cuộc sống hàng ngày Một số lượng lớn các vật liệu rắn, xốp có xảy ra hiện tượng mao dẫn Giấy, dệt may, đá phấn và còn rất nhiều vật dụng khác có thể bị ướt do nước hấp thụ vật liệu xốp để sản xuất ra các mao dẫn Trong công nghệ kĩ thuật con người thông qua việc sử dụng các mao mạch của hiện tượng mao dẫn để bôi trơn các bộ phận máy Cây cối có thể lấy nước

và chất dinh dưỡng trong đất một phần cũng là nhờ sự thấm hút mao dẫn, Và còn rất nhiều ý nghĩa khác Sau đây chúng ta sẽ cùng tìm hiểu một số ứng dụng của hiện tượng mao dẫn

II.1 GIẤY THẤM, GẠCH THẤM, SỢI VẢI,….

Khi bạn bất cẩn làm đổ ly nước trên bàn, bạn vội vàng lấy một chiếc khăn giấy

để lau sạch nó đi Đầu tiên bạn nên cảm

ơn sức căng bề mặt của nước bởi nhờ nó

mà giữ được chất lỏng trong một vũng nước đẹp trên bàn, thay vì một lớp màng mỏng lây lan ra khắp nơi trên bàn Như

vậy, nước trên bàn đang có sức căng bề mặt và chịu một lực hấp dẫn Hãy thử đặt một góc khăn giấy vào, khăn giấy sẽ nhận được sự ẩm ướt và bắt đầu cho nước thấm vào Lúc ấy, sức căng bề mặt của nước đã thắng lực hấp dẫn và nước có xu hướng bám dính vào các khe nhỏ sợi giấy mỏng, đồng thời di chuyển vào khoảng trống giữa và bên trong của sợi giấy Lực dính giữa nước và khăn giấy mạnh hơn lực liên kết bên trong nước Và bạn nhận thấy rằng nước trên mặt bàn đang dần lan rộng khắp khăn giấy, nước vẫn không ngừng làm ướt bề mặt khăn cho đến khi

Hình 4: Khăn giấy thấm hút chất lỏng

lượng nước trên bàn không còn nhiều Rõ ràng chất lỏng thấm rất nhanh Quá trình khăn giấy hấp thụ chất lỏng, chất lỏng di chuyển dọc theo các khe nhỏ sợi giấy được gọi là hoạt động mao dẫn Ta đã biết trong một chiếc khăn giấy không có ống nao

cả nhưng tại sao chúng vẫn xảy ra hiện tượng mao dẫn? Đó là vì các khoảng trống giữa các sợi giấy được xem như các ống mao dẫn

Khăn giấy vốn mềm mại là thế,

vậy đối với những vật xốp, khô,

chẳng hạn như một viên gạch được

đưa vào tiếp xúc với chất lỏng thì

sao? Nó cũng tương tự như vậy,có

rất nhiều kênh nhỏ đóng vai trò là

các mao mạch, sẽ bắt đầu hấp thụ

chất lỏng với một tốc độ giảm theo

thời gian

Trong quá trình tập luyện thể thao thì lượng mồ hôi ra rất nhiều bởi cơ thể ta phải hoạt động liên tục Vì thế mà trong một số môn thể thao, các vận động viên thường sử dụng các quần áo mà loại vải có thể xảy ra hoạt động mao dẫn được để bấc mồ hôi ra khỏi da dễ dàng Chúng thường là các loại vải có khả năng thấm hút cao

Từ đó ta cũng có thể thấy được rằng những vật dụng tưởng chừng như đơn giản như khăn giấy, các viên gạch,từng loại vải, nhưng chúng lại là vật thể hiện rõ nhất về hiện tượng mao dẫn, chứng tỏ sự hiện diện của mao dẫn trong cuộc sống hàng ngày

II.2 ỨNG DỤNG LÀM ĐÈN DẦU

Có thể nói đèn dầu đã từng được sử dụng rộng rãi trên thế giới trước khi các thiết bị chiếu sáng bằng điện được phổ biến Tuy nhiên ngày nay, ngoài các mục đích trang trí, chiếu sáng trong trường hợp khẩn cấp, hoặc tại các vùng xa xôi không

có điện thì đèn dầu hiếm khi được sử dụng tại các nước có mạng lưới điện và khí

Hình 5: Nước thấm vào gach trong một

thời gian ngắn

năm qua Vậy hoạt động của đèn dầu là như thế nào? Làm sao dầu có thể duy trì được sự cháy của ngọn lửa mặc dù chúng ở dưới mà bấc đèn lại ở trên cao trong khi ta đã biết dầu cũng chảy từ trên cao xuống như nước Đèn có một bầu đựng dầu, thường làm bằng kim loại hay thủy tinh,

một sợi bấc thường được dệt bằng sợi

bông, đoạn dưới nhúng trong dầu để hút

dầu lên trên, đoạn trên nhô lên khỏi bầu

đèn và thường được chỉnh độ dài bởi một

hệ thống núm vặn Khi châm lửa vào phần

nhô lên của bấc, dầu ngấm trong bấc sẽ

cháy và tạo ra một ngọn lửa màu vàng Khi

tiếp tục cháy Như vậy nhờ hiện tượng mao dẫn dầu mới thấm hút nhanh vào bấc đèn và ngấm theo các sợi nhỏ trong bấc đèn để ngọn bấc dễ dàng cháy Bấc đèn là chất xốp có khả năng hút chất lỏng vì các khe hẹp trong các chất đó có vai trò như những ống mao dẫn vận chuyển chất lỏng trong môi trường xốp

II.3 ỨNG DỤNG LÀM BÚT MÁY

Có lẽ bút máy là một đồ dung học tập rất quen thuộc và không thể thiếu đối với học sinh Khi bạn dùng bút máy để viết thì trên trang giấy lập tức xuất hiện những dòng chữ

Bút máy được thiết kế trên cơ sở ứng dụng nguyên lý mao dẫn Nó dựa vào một loạt khe nhỏ trên thân bút và những rảnh nhỏ trên ngòi bút để dẫn mực từ trong ruột chứa mực lên đầu ngòi bút

Hình 7: Ứng dụng hoạt động mao

dẫn vào bút máy

Hình 6: Ứng dụng mao dẫn trong

bấc đèn

Khi ta viết, tức là khi đầu ngòi bút chạm vào giấy thì mực sẽ lưu lại trên giấy, bởi vì trên giấy còn lưu lại nét chữ rõ ràng Tất nhiên, mực di chuyển “xuống dốc” vào đầu bút là do trọng lực nhưng hoạt động mao dẫn là cần thiết để giữ cho mực chảy trên giấy Các bút máy kiểu mới thường có tương đối nhiều rãnh mao dẫn chứa mực có thể chứa được toàn bộ lượng mực dư thừa nên không có sự nhỏ giọt như các loại bút kiểu cũ

II 4 SỰ HÚT NƯỚC VÀ CHẤT DINH DƯỠNG CỦA CÂY- HOA

NHUỘM MÀU

Đã bao giờ bạn tự hỏi tại sao bạn cần tưới nước cho cây mỗi ngày để cây có thể phát triển Vâng, chúng ta đều biết rằng nước làm nên sự sống của cây, cây sử dụng nước để giữ cho thân, lá, hoa, luôn tươi tốt và không bị héo, nhưng làm thế nào chúng có thể hấp thụ được nước trong khi ta tưới vào phần rễ cây Khi chúng ta uống nước, ta để nước chảy từ miệng xuống vào hệ thống tiêu hóa để nó có thể hấp thụ vào cơ thể ta Đối với thực vật, hầu hết cây lấy nước từ mặt đất nên nước phải được vận chuyển từ rễ cây lên các bộ phận khác của cây Và quá trình này có thể xảy ra được là nhờ vào hiện tượng mao dẫn.Quá trình vận chuyển ấy sẽ khó khăn hơn ta bởi lực gắn kết và sức căng bề mặt của chất lỏng được vận chuyển cùng với lực hút phải lớn hơn lực hấp dẫn thì mao dẫn mới xảy ra.Và các mạch nhựa nhỏ trong rễ và thân cây đóng vai trò là các ống mao dẫn.Thật vậy thực vật không thể phát triển mạnh mà không nhờ hoạt động mao dẫn Điều này cho thấy tầm quan trọng của hiện tượng mao dẫn trong tự nhiên.Vì thế ta phải trồng cây, bảo vệ rừng, chống xói mòn đất, đất đồi có cây xanh che phủ thì ít bị hạn hán

Hình 8 :Các ống mao dẫn trong cây

Ngoài ra,khi dựa vào cách nước vận chuyển từ đất qua hệ thống các ống mao dẫn trong bộ rễ và thân cây lên đến ngọn cây mà người ta đã biết cách làm ra các loại hoa nhuộm màu khác nhau Thay vì những bông hoa màu trắng đơn điệu bạn có thể hóa phép cho chúng “khoác” thêm những chiếc áo màu sắc rực rỡ khác nhau.Chỉ vài bước đơn giản ta có thể nhuộm được nhiều màu hoa theo ý thích Để hoa có độ màu sặc sỡ thì bạn nên cắt bớt gốc sau khi ngâm lâu hoặc đổ thêm màu để kích thích hoa hút màu nhanh và đậm Lúc này các mạch nhựa nhỏ trong thân cây sẽ đóng vai trò các ống mao dẫn vận chuyển các màu nhuộm lên đến hoa

II 5 NƯỚC MẮT,HIỆN TƯỢNG Ù TAI, HIỆN TƯỢNG MÁU “SÔI”

Hằng ngày mắt ta luôn tiết ra một loại chất lỏng Đó chính là nước mắt Hoạt động mao dẫn cũng cần thiết cho sự dẫn lưu liên tục, sản xuất chất lỏng nước mắt ra khỏi mắt Hai ống nhỏ có đường kính, ống lệ đạo có mặt trong các góc trong của mí mắt, cũng được gọi là các ống dẫn Hoạt động này làm sạch tất cả các hạt bụi bám trong mắt, bảo vệ mắt ta tốt hơn

Khi máy bay bay lên hoặc bay xuống, người ngồi trên máy bay có cảm giác ù tai cũng vì sự chênh lệch cũng vì sự chênh lệch áp suất giữa các mạch máu bên trong cơ thể và môi trường bên ngoài Để chống hiện tượng này, khi đi trên máy bay người ta cần phải “há miệng” ra để cân bằng áp suất bên trong với áp suất của môi trường

Hình 9: Hoa hồng được nhuộm màu