Phan tich chuong chất rắn, chất lỏng và sự chuyển thể

A MỞ ĐẦU Nghiên cứu chương trình mơn Vật lí THPT môn học thiếu học viên cao học sinh viên ngành sư phạm Vật lí Qua mơn học, học viên sinh viên nắm cấu trúc nội dung kiến thức chương trình, sở cách hình thành đơn vị kiến thức Từ đó, giảng dạy tìm phương pháp dạy học đem lại hiệu cao nhất, học sinh hứng thú học tập u thích mơn Vật lí Chương trình mơn Vật lý 10 nâng cao gồm hai phần : Cơ học Nhiệt học Phần học nghiên cứu chuyển động cơ, định luật chuyển động Phần nhiệt học nghiên cứu trạng thái vật thể cấu tạo phân tử, nghiên cứu trao đổi lượng vật thể trình biến đổi Trong khuôn khổ tiểu luận môn học “Nghiên cứu chương trình - Vật lí THPT” hướng dẫn PGS.TS Lê Công Triêm, chọn “Phân tích kiến thức chương Chất rắn chất lỏng.Sự chuyển thể, Vật lí 10 nâng cao” Đây dịp để thân tơi có điều kiện tìm hiểu sâu kiến thức làm sở cho việc giảng dạy vật lý trường phổ thông sau -2- B NỘI DUNG I MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG -Khảo sát đặc tính, cấu trúc, chuyển động nhiệt, số tính chất vi mơ vĩ mơ chất rắn chất lỏng -Sự chuyển thể chất -Độ ẩm khơng khí tác động độ ẩm khơng khí với sống sức khỏe người II CHUẨN KIẾN THỨC, KĨ NĂNG CỦA CHƯƠNG TRÌNH Nhìn chung, mục tiêu chung kiến thức kỹ chương tập trung chủ yếu vào vấn đề sau: - Tìm hiểu nội dung thuyết động học phân tử chất khí - Tìm hiểu định nghĩa chất rắn lỏng, khí, chuyển pha, biến dạng, độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm tỉ đối… - Nghiên cứu giải thích tượng bề mặt chất lỏng, dính ướt khơng dính ướt, tượng mao dẫn… - Phát biểu nội dung, viết biểu thức định luật Húc vận dụng để giải thích số tượng giải số toán liên quan Cụ thể, chuẩn kiến thức kĩ chương là: CHỦ ĐỀ MỨC ĐỘ CẦN ĐẠT Kiến thức − Phân biệt chất rắn kết tinh chất rắn vô a) Chất rắn kết định hình cấu trúc vi mơ tính chất vĩ tinh chất rắn mơ chúng vơ định hình − Phân biệt biến dạng đàn hồi biến dạng dẻo b) Biến dạng − Phát biểu viết hệ thức định luật vật rắn Húc biến dạng vật rắn c) Sự nở nhiệt − Viết công thức nở dài nở khối vật rắn − Nêu ý nghĩa nở dài, nở khối vật rắn đời sống kĩ thuật d) Chất lỏng Các − Mô tả thí nghiệm tượng căng bề tượng căng mặt bề mặt, dính ướt, − Mơ tả thí nghiệm tượng dính ướt mao dẫn chất khơng dính ướt lỏng − Mơ tả hình dạng mặt thống chất lỏng sát thành bình trường hợp chất lỏng e) Sự chuyển dính ướt khơng dính ướt thể : nóng chảy, − Mơ tả thí nghiệm tượng mao dẫn đơng đặc, hố − Kể số ứng dụng tượng mao hơi, ngưng tụ dẫn đời sống kĩ thuật − Viết công thức tính nhiệt nóng chảy f) Độ ẩm vật rắn Q = λm khơng khí − Phân biệt khơ bão hồ -3- GHI CHÚ λ nhiệt nóng chảy riêng L nhiệt hố riêng − Viết cơng thức tính nhiệt hố Q = Lm − Nêu định nghĩa độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm tỉ đối, độ ẩm cực đại khơng khí − Nêu ảnh hưởng độ ẩm khơng khí sức khoẻ người, đời sống động, thực vật chất lượng hàng hoá Kĩ − Vận dụng công thức nở dài nở khối vật rắn để giải tập đơn giản − Vận dụng công thức Q = λm, Q = Lm để giải tập đơn giản − Giải thích q trình bay ngưng tụ dựa chuyển động nhiệt phân tử − Giải thích trạng thái bão hồ dựa cân động bay ngưng tụ − Xác định hệ số căng bề mặt thí nghiệm -4- II PHÂN TÍCH KIẾN THỨC Sự biến dạng VR CHẤT RẮN Sự nở nhiệt VR HT căng bề mặt CHẤT LỎNG HT dính ướt khơng dính ướt HT mao dẫn CHƯƠNG VII Sự nóng chảy SỰ CHUYỂN THỂ Sự đơng đặc Sự hóa Sự ngưng tụ ĐỘ ẨM CỦA KK Chất rắn 1.1 Khái niệm Trạng thái rắn ba trạng thái thường gặp vật chất Vật chất trạng thái rắn gọi chất rắn Chất rắn Chất rắn kết tinh Chất rắn đơn tinh thể thể Chất rắn đa tinh thể Có tính dị hướng Có tính đẳng hướng Chất rắn vơ định hình Chất rắn có tính ổn định hình dáng, có độ rắn định, có khả chống lại tác động học Xét cấu trúc, chất rắn chia làm hai loại : chất rắn kết tinh (tinh thể) chất rắn vơ định hình Ngồi ra, chất rắn chia theo tính dẫn điện có: chất dẫn điện, chất bán dẫn, chất cách điện (điện môi) -5- 1.2 Chất rắn kết tinh Chất rắn kết tinh (muối ăn, thạch anh, …) cấu tạo từ tinh thể Tinh thể chất rắn có dạng hình học xác định Cấu trúc tinh thể chất rắn gồm nguyên tử, phân tử ion (gọi chung hạt) xếp cách có trật tự, tuần hồn khơng gian tạo thành mạng tinh thể 1.2.1 Các loại mạng tinh thể Xét hình dạng bên ngoài, tinh thể khối đa diện giới hạn nhiều mặt Các mặt gọi mặt bờ Các giao tuyến mặt bờ gọi cạnh, giao điểm cạnh tạo thành đỉnh tinh thể Xét cấu trúc bên hạt phân bố theo trật tự, tuần hồn tồn khơng gian tinh thể gọi mạng tinh thể Nếu không xét đến dao động nhiệt hạt ta coi hạt nằm nút mạng Các nút liên kết với thành đường thẳng gọi hàng mạng Các nút mạng nằm mặt phẳng tạo thành mặt mạng Các mặt mạng cắt tạo thành hình hộp đồng gọi mạng Ơ mạng nhỏ phản ánh cấu trúc tinh thể gọi sở Ơ sở xác định ba vectơ a, b, c ứng với ba cạnh hình hộp góc vectơ Các đại lượng gọi số mạng 1.2.2 Phân loại mạng tinh thể Cuối kỷ XIX, nhà tinh thể học người Pháp Bravais (1811-1863) tìm cách phân loại tinh thể chứng minh có 14 loại mạng tương ứng 14 loại ô sở Căn vào tính chất đối xứng loại mạng không gian ông chia chúng thành hệ : tam tà, đơn tà, thoi, tứ giác, tam giác, lục giác lập phương Lực liên kết tinh thể xem lực tương tác tĩnh điện electron, ion âm hạt nhân nguyên tử Trong trường hợp khác nhau, lực lực Vanđevanxơ, lực liên kết cộng hóa trị, lực liên kết ion, lực liên kết kim loại… Tam tà Thoi đơn giản -6- Đơn tà đơn giản Thoi tâm đáy Đơn tà tâm đáy Thoi tâm khối Thoi tâm mặt Lục giác Tam giác Tứ giác Lập phương Lập phương tâm khối Tứ giác tâm khối Lập phương tâm mặt Căn vào dạng liên kết, chất rắn phân thành : tinh thể ion, tinh thể cộng hóa trị, tinh thể kim loại, tinh thể, phân tử, tinh thể liên kết hiđro… Tinh thể ion hình thành từ ion dương ion âm Bản chất lực liên kết lực tương tác tĩnh điện ion mang điện trái dấu Ví dụ, tinh thể muối ăn NaCl có dạng khối lập phương Các tinh thể ion dẫn điện nhiệt độ thấp dẫn điện tốt nhiệt độ cao Chúng hấp thụ mạnh xạ dải hồng ngoại Ví dụ: tinh thể muối ăn NaCl Ví dụ: tinh thể phèn chua có dạng khối mặt Tinh thể cộng hóa trị tạo thành từ cặp electron có spin đối song Tinh thể kim cương tinh thể có liên kết cộng hóa trị Lực liên kết tinh thể loại lực tương tác trao đổi Tinh thể loại có độ cứng cao dẫn điện nhiệt độ thấp Tinh thể kim loại chứa electron không định xứ nguyên tử mà phân bố tinh thể gọi electron tự do, chúng tạo thành đám mây electron tinh thể Chính tương tác đám mây electron mang điện âm với ion mang điện dương xếp đặn tạo nên lực liên kết nguyên tử Các tinh thể dẫn điện, dẫn nhiệt tốt có độ dẻo cao -7- Tinh thể khí trơ tinh thể phân tử Tinh thể khí trơ cấu tạo từ nguyên tử khí trơ Các nguyên tử có lớp electron ngồi hồn tồn đầy Ở ngun tử tự do, phân bố electron có dạng đối xứng cầu Lực liên kết tinh thể lực Van-đe-vanxơ (đó lực tương tác nguyên tử trung hịa có tác dụng khoảng cách lớn) Lực Van-đe-vanxơ lực chủ yếu tinh thể phân tử (tinh thể mà nút mạng có phân tử trung hịa) Ví dụ H, Cl, CO 2… hóa rắn tạo thành tinh thể phân tử Tinh thể khí trơ tinh thể phân tử có nhiệt độ nóng chảy thấp dễ bị nén Tinh thể có liên kết hiđro Nguyên tử hiđro trung hịa có electron Trong số trường hợp, ngun tử hiđro liên kết lực hút đáng kể với hai nguyên tử khác tạo thành liên kết hiđro chúng Nó liên kết electron nguyên tử hiđro liên kết với nguyên tử cịn proton liên kết với ngun tử thứ hai nên kết hiđro liên kết với hai nguyên tử Liên kết tồn hợp chất có chứa hiđro với nguyên tố kim F, O, N tạo nên kết hợp phân tử, polime hóa… 1.2.3 Các đặc điểm tinh thể 1.2.3.1 Tính dị hướng Các tính chất vật lý tinh thể tính học, tính dẫn nhiệt, dẫn điện, khúc xạ ánh sáng… theo phương khác vật khơng giống nhau, ta nói tinh thể có tính tính dị hướng Ví dụ tinh thể than chì (graphit) 1.2.3.2 Chất đơn tinh thể đa tinh thể Vật rắn cấu tạo từ loại tinh thể gọi vật rắn đơn tinh thể Ví dụ muối, thạch anh… Các chất đơn tinh thể có nhiều ứng dụng đời sống khoa học công nghệ Kim cương chất rắn đơn tinh thể rắn nên dùng làm mũi khoan địa chất, đá mài dao điện làm hợp kim cứng v.v… Các chất đơn tinh khiết gemani silic dùng cho chế tạo linh kiện bán dẫn có vai trị quan trọng việc chế tạo linh kiện điện điện tử Vật rắn gồm nhiều tinh thể liên kết hỗn độn với gọi vật rắn đa tinh thể Ví dụ kim loại… 1.2.3.3 Chuyển động nhiệt tinh thể Các nút mạng dao động quanh vị trí cân chúng, ta gọi dao động dao động nhiệt Giữa hạt có lực liên kết nên tinh thể hệ dao động tử liên kết Do có sai hỏng mạng nên tinh thể có nút trống dao động hạt dời chỗ -8- 1.3 Chất rắn vơ định hình Vật rắn vơ định hình khơng có cấu trúc tinh thể, khơng có dạng hình học xác định, nghĩa hạt cấu tạo vật phân bố hỗn độn bên vật Sự phân bố hạt có trật tự gần, số hạt gần chúng phân bố theo trật tự đó, song trật tự khơng lan rộng cho thể tích lớn hay tồn vật Ví dụ như: thủy tinh, nhựa thơng, hắc ín,… Các vật rắn vơ định hình có tính đẳng hướng, tức tính chất vật lý chúng giống theo phương Căn vào cấu trúc bên người ta coi vật rắn vơ định khối lỏng có độ nhớt lớn đến mức khả chảy giữ nguyên hình dạng coi chúng khối lỏng lạnh bị đông cứng Vật rắn vô định hình khơng có nhiệt độ nóng chảy xác định Một số chất lưu huỳnh, thạch anh, đường tồn dạng tinh thể vừa dạng vơ định hình Dạng vơ định hình chất rắn bền dạng tinh thể dạng vơ định hình tương tác hạt lớn dạng tinh thể Vì để lâu, số chất vơ định hình tự chuyển sang dạng tinh thể 1.4 Biến dạng vật rắn Biến dạng vật rắn Biến dạng Biến dạng đàn hồi (kéo, nén) Biến dạng không đàn hồi Nở nhiệt (Biến dạng nhiệt) Nở dài ∆l=αl0∆t Nở khối ∆V=βV0∆t với β=3α * Định luật Húc: σ = Eε * Lực đàn hồi: Fđh=k|∆l|=E|∆l| Khi yếu tố bên tác dụng vào vật rắn làm cho kích thước hình dạng thay đổi, ta nói vật rắn bị biến dạng Sự biến dạng vật rắn phân thành hai loại là: biến dạng biến dạng nhiệt 1.4.1 Biến dạng Biến dạng vật rắn biến dạng vật chịu tác dụng ngoại lực, làm khoảng cách phần tử thay đổi Hệ lực liên kết nội phần tử thay đổi theo, có xu hướng chống lại biến dạng ngoại lực gây 1.4.1.1 Biến dạng đàn hồi biến dạng dẻo Xét vật rắn bị biến dạng tác dụng ngoại lực -9- - Nếu tác dụng lực mà vật lấy lại hình dạng kích thước ban đầu biến dạng gọi biến dạng đàn hồi - Nếu tác dụng lực mà vật khơng lấy lại hình dạng kích thước ban đầu biến dạng gọi biến dạng dẻo Những vật đàn hồi bị biến dạng q mức, vượt q giới hạn đó, biến dạng khơng cịn đàn hồi mà trở thành biến dạng dẻo Trong biến dạng đàn hồi phân làm nhiều loại biến dạng: kéo, nén, lệch (cắt), xoắn, uốn,… 1.4.1.2 Biến dạng kéo biến dạng nén Nhà vật lý người Anh Robert Hooke (1635-1703) thực nghiệm thiết lập định luật biến dạng đàn hồi, gọi định luật Húc Chọn thép có tiết diện S chiều dài ban đầu l0 Giữ cố định đầu thép kéo (hoặc nén) dầu lực F làm dài đoạn ∆l = l − l0 ∆l không phụ thuộc cường độ lực l0 F F mà phụ thuộc tiết diện S thép, tức phụ thuộc ứng suất σ = Đơn vị S Thực nghiệm chứng tỏ độ dãn dài tỉ đối ε = ứng suất Paxcan (1Pa = 1N/m2) Biến dạng kéo: l > lo ε C AB O D σn σđh Trong giới hạn biến dạng nhỏ (đoạn OA) độ dãn ε = H σb σ ∆l tăng tỉ lệ với ứng l0 suất theo định luật Húc Phát biểu định luật : “ Trong giới hạn đàn hồi, độ biến dạng tỉ đối kéo hay nén rắn tiết diện tỉ lệ thuận với ứng suất gây nó” Biểu thức định luật: ∆l F ≈ l0 S Ta thực phép biến đổi : ∆l F = E S l0 σ = Eε Trong đó, E đặc trưng cho cho tính đàn hồi chất làm rắn gọi suất đàn hồi hay suất Y-âng Thomas Young (1773-1829), nhà vật lý học người Anh tìm - 10 - Áp dụng định luật III Niu-tơn (F đh= F độ lớn) suy biểu thức định luật Húc sau : S |∆l| = k|∆l| l0 S k=E hệ số đàn hồi hay độ cứng l0 Fđh= E Vậy hệ số * Giải thích chế vi mơ biến dạng đàn hồi biến dạng dẻo sau: Bình thường mạng tinh thể vật rắn, lực hút Fh l đựcẩy Fđ hạt cân Khi mạng tinh thể ion bị bị nén chẳng hạn khoảng cách ion giảm Khi lực đẩy ion lớn lực hút nên lực tổng hợp F lực đẩy có tác dụng chống lại ngoại lực Fn tác dụng lên ion gây nên biến dạng Các ion nằm vị trí cân tác dụng lực tổng hợp Biến dạng mạnh, ion bị lệch khỏi vị trí cân ban đầu nhiều lực tổng hợp lớn Trong giới hạn đàn hồi, thay đổi khoảng cách ion mạng tinh thể chưa đủ để phá hủy cân ngoại lực tổng hợp ion với ngoại lực Vì ion dao động quanh vị trí cân Khi ngoại lực ngừng tác dụng, lực tổng hợp đẩy ion vị trí cân cũ nên mạng tinh thể phục hồi lại ban đầu Nếu mạng tinh thể bị nén mạnh, ion mạng bị thay đổi hình dạng đến mức phá vỡ liên kết cân ion Khi đó, mạng bị dịch chuyển khoảng bội số nguyên lần số mạng tới trùng khớp với ô mạng khác nên chúng không trở lại vị trí ban đầu Khi biến dạng vật trở thành biến dạng dẻo 1.4.1.3 Biến dạng lệch (hay biến dạng truợt) Biến dạng lệch biến dạng mà có lệch lớp vật rắn Biến dạng lệch gọi biến dạng trượt hay biến dạng cắt Trong trường hợp biến dạng lệch lực F tác dụng song song toàn mặt S, ứng suất pháp tuyến thay ứng suất tiếp tuyến σ t = đối xác định : F độ biến dạng tỉ S AA ' = tanψ , với góc ψ bé tanψ ≈ ψ , gọi góc lệch OA Áp dụng định luật Húc cho biến dạng lệch: Trong biến dạng đàn hồi lệch, góc lệch tỉ lệ với ứng suất tiếp tuyến Do ψ = gọi mơđun lệch 1.4.1.4 Biến dạng xoắn uốn - 11 - σ t hay σ t = Gψ , G hệ số tỉ lệ G Các biến dạng khác biến dạng xoắn, biến dạng uốn quy hai loại biến dạng kéo (nén) biến dạng lệch Ví dụ, biến dạng uốn kim loại, chia nhiều lớp song song, quy biến dạng kéo lớp biến dạng nén lớp Biến dạng xoắn quy biến dạng lệch tiết diện vật bị xoắn 1.4.1.5 Giới hạn bền Giá trị ứng suất lớn σn điểm A gọi giới hạn tỉ lệ Khi ngoại lực tác dụng lên vật rắn tăng tức ứng suất σ tăng lớn giá trị σn định lật Húc khơng cịn nữa, biến dạng có tính đàn hồi (đoạn AB) Tới giá trị σ > σđn biến dạng bắt đầu tăng nhanh tính đàn hồi, chuyển sang biến dạng khơng đàn hồi nên σđn gọi giới hạn đàn hồi Trong đoạn CD, biến dạng tăng mà khơng cần tăng ứng suất : trình biến dạng “chảy” thép Sau đó, độ dãn tỉ đối tiếp tục tăng theo ứng suất σ điểm H, tâị σ = σb Vượt giới hạn σb thép bị đứt nên giá trị σb gọi giới hạn bền thép 1.4.2 Biến dạng nhiệt Biến dạng nhiệt vật rắn biến dạng khoảng cách trung bình hai nguyên tử tăng giảm nhiệt độ thay đổi Về chế nở nhiệt vật rắn, nguyên nhân nở giải thích Et khơng đối xứng đường cong tương tác hạt cấu tạo nên vật rắn Nếu hạt khơng dao động khoảng cách chúng r ứng với cực tiểu tương tác Khi hạt dao động t r1 r2 O r3 lượng tồn phần E1 chúng biểu diễn E2 D đoạn thẳng cắt đường cong A B Do tính E1 C B A chất khơng đối xứng đường cong E t nên khoảng cách trung bình hạt khơng trùng với r mà dịch chuyển sang phải ứng vơi vị trí r1 Khi bị nung nóng, hạt dao động mạnh lượng toàn phần chúng tăng tới giá trị - 12 - E2 > E1 biểu diễn đoạn thẳng cắt đường cong C D Do tính chất khơng đối xứng đường cong mà khoảng cách trung bình hạt dịch chuyển sang phải ứng với vị trí r Như vậy, khoảng cách trung bình hạt mạng tăng theo nhiệt độ vật rắn bị nung nóng Sự dãn nở nhiệt phân thành dãn nở dài dãn nở khối 1.4.2.1 Sự nở dài Xét vật có chiều dài vượt trội so với chiều ngang Gọi l0 chiều dài vật nhiệt độ t0 0C, lt chiều dài vật t 0C Như nhiệt độ tăng từ t0 0C lên t 0C chiều dài vật tăng lên lượng ∆l = lt – l0 = αl0(t – t0) Vậy chiều dài vật t 0C : lt = l0[1 + α(t – t0)], với α hệ số nở dài phụ thuộc chất vật rắn có đơn vị đo K-1 1.4.2.2 Sự nở khối Sự nở khối tuân theo định luật nở dài Khi nhiệt độ tăng từ t 0C lên t 0C thể tích vật tăng Ở t 0C thể tích vật Vt = lt3 = V0[1 + β( t - t0 )], với β = 3α 1.4.2.3 Ứng dụng Sự nở nhiệt vật rắn có ý nghĩa thực tiễn quan trọng sống Trong số trường hợp dãn nở có lợi ứng dụng việc chế tạo thiết bị loại rơle nhiệt, nhờ giản nở vật rắn để lắp ghép vật có kích thước khơng lớn, Một số trường hợp dãn nở có hại cần phải khắc phục đường ống dẫn khí, ray đường sắt, cầu… Chất lỏng Chất lỏng Cấu trúc chất lỏng Chuyển động nhiệt chất lỏng Hiện tượng căng bề mặt * Lực căng bề mặt: f=σl Hiện tượng khơng dính ướt Hiện tượng dính ướt Hiện tượng mao dẫn 2.1 Các tính chất chung Chất lỏng trạng thái trung gian trạng thái rắn trạng thái khí Chất lỏng tích xác định khơng có hình dạng định mà có hình dạng bình chứa tác dụng trọng lực Khối chất lỏng chịu nén có tính chảy (tính linh động) 2.2 Cấu trúc chất lỏng Bằng phương pháp nhiễu xạ tia X nơtron hay electron người ta quan sát thấy chất lỏng có cấu trúc trật tự gần, nghĩa xét thể tích nhỏ bao quanh hạt phân bố hạt có trật tự định - 13 - Chất lỏng có cấu trúc trật tự gần tương tự cấu trúc chất rắn vơ định hình khác vị trí hạt chất lỏng không cố định, chúng thường xuyên dời chỗ Các phân tử chất lỏng thực dao động nhiệt quanh vị trí cân với tần số trung bình gần với tần số dao động hạt nút mạng tinh thể phân tử dịch chuyển khoảng cỡ 10 -8cm Các phân tử dịch chuyển chất lỏng “bước nhảy” qua hàng rào tạo phân tử với phân tử xung quanh Sự dịch chuyển nhiều nhiệt độ tăng Chính nhờ vào dao động nhiệt dịch chuyển hạt mà chất lỏng có tính linh động cao, chảy dễ dàng 2.3 Hiện tượng căng mặt Trong thực tế, bề mặt chất lỏng có biểu đa dạng : bề mặt mặt phẳng, mặt khum lồi, mặt khum lõm … Mặt chất lỏng coi màng căng Để đặc trưng cho tính chất màng căng người ta dùng đại lượng lực căng mặt ngồi Có thể giải thích tượng căng mặt chất lỏng theo hai phương pháp Thứ phương pháp cấu trúc phân tử: Khi phân tử sâu lịng chất lỏng lực hút phân tử khác lên cân Khi phân tử gần mặt thống hợp lực lực hút phân tử lên khơng cần mà hướng vào chất lỏng Các phân tử sát mặt thống có xu hướng bị kéo vào lịng chất lỏng, nghĩa có xu hướng cho diện tích mặt thống chất lỏng giảm căng Một khối lỏng có mặt thống dạng cho diện tích nhỏ Nếu khơng có ngoại lực tác dụng mặt thống mặt cầu Phương pháp thứ hai phương pháp lượng: Các phân tử mặt ngồi ln có xu hướng bị kéo vào Muốn trì diện tích mặt ngồi khơng đổi, phải tốn công để di chuyển phân tử lớp mặt ngồi Cơng làm tăng phân tử Tổng tăng thêm phân tử tạo thành lớp mặt gọi lượng mặt Hệ cân bền lượng có giá trị cực tiểu Do khối lỏng ln có xu hướng chuyển dạng cho lượng mặt ngồi có giá trị nhỏ Lực căng bề mặt Lực căng bề mặt đại lượng có nguồn góc từ lực tương tác phần tử chất lỏng Lực căng bề mặt đại lượng đặc trưng vectơ tiếp tuyến với mặt khối lỏng có xu hướng co nhỏ bề mặt Xét thí nghiệm : Trên khung dây thép hình chữ U có đặt ngang l, trượt dọc theo hai nhánh hình chữ U Nhúng khung dây vào nước xà phịng, sau lấy cịn lại khung màng xà phịng Diện tích màng thay đổi cách dịch chuyển ngang Kết cho thấy ngang màng xà phòng bị co lại Để chống lại co cần tác dụng r ngoại lực F lực căng mặt ngồi để giữ khơng chuyển động - 14 - Giả sử màng xà phòng làm l dịch chuyển đoạn r ∆x ngoại lực F kéo l trở vị trí ban đầu cơng F thực : ∆A = F ∆x Cơng làm tăng diện tích mặt A B ∆ S = l ∆ x màng xà phòng lên (hệ số hai mặt màng xà B’ A’ l phòng) Vậy, lượng mặt ngồi màng tăng thêm cơng mà ngoại lực thực làm tăng diện tích màng thêm lượng : ∆A = ∆W = σ∆S = σ 2l ∆x = F ∆x Cơng tính tính lực căng bề mặt : F = 2σ l 2.4 Hiện tượng dính ướt khơng dính ướt Hiện tượng mặt thống chất lỏng chỗ tiếp giáp với thành bình khơng thẳng góc với thành bình mà bị khum lồi lên hay khum lõm xuống dính ướt khơng dính ướt Để đặc trưng cho độ khum lồi hay độ khum lõm người ta đưa khái niệm góc bờ θ Nếu θ < π/2 chất lỏng làm dính ướt thành bình; θ > π/2 chất lỏng khơng làm dính ướt thành bình; θ = chất lỏng làm dính hồn tồn vật rắn (dính ướt hồn tồn); θ = π chất lỏng khơng làm ướt hồn tồn vật rắn (sự khơng dính ướt hồn tồn) * Giải thích tượng dính ướt khơng dính ướt: Xét phần tử A chất lỏng chỗ tiếp giáp với thành bình Phân tử A r r r chịu tác dụng hai lực Flr Fll Lực Fll lực tương tác phân tử A với r phân tử chất lỏng, lực hướng theo đường phân giác góc vng A Lực Flr lực tương tác phân tử A với phân tử chất lỏng, lực vng góc với thành r r bình kéo A phía thành bình, tổng hợp lực chúng lực F Nếu Flr làm r cho tổng hợp lực F lệch phía thành bình ta nói có tượng dính ướt vật rắn r Dưới tác dụng tổng hợp lực F phân tử A di chuyển theo thành bình lên r phía tổng hợp lực F vng góc với mặt thoáng chất lỏng chỗ tiếp giáp Kết mặt thoáng chất lỏng cong lên phía (mặt cong lõm) r r Trong trường hợp Fll làm cho tổng hợp lực F lệch phía chất lỏng ta nói có tượng khơng dính ướt vật rắn - 15 - r Dưới tác dụng tổng hợp lực F phân tử A di chuyển theo thành bình r hướng xuống hợp lực F vng góc với mặt thống chất lỏng chỗ tiếp giáp Kết mặt thoáng chất lỏng cong xuống phía (mặt cong lồi) 2.5 Hiện tượng mao dẫn Hiện tượng mực chất lỏng dâng lên hạ xuống ống có bàn kính nhỏ, vách hẹp, khe hẹp … so với mực chất lỏng Nguyên nhân gây tượng mao dẫn tượng dính ướt khơng dính ướt, chúng làm cho mặt ngồi chất lỏng ống bị cong mặt cong gây nên áp suất phụ Trong trường hợp có áp suất phụ âm (mặt ngồi lõm xuống) kéo cột chất lỏng ống lên cao Trong trường hợp áp suất phụ dương (mặt ngồi lồi lên) nén cột chất lỏng xuống thấp Đối với chất lỏng làm ướt vật rắn Ta lấy ống mao dẫn tiết diện trịn, nhúng ống vào chất lỏng có hệ số căng mặt ngồi σ Mặt thống chất lỏng mặt cong lõm có dạng chỏm cầu Gọi tâm hình cầu C, bán kính R Do tượng căng bề mặt, mặt lõm khối lỏng ống có xu hướng trở thành phẳng để có diện tích bề mặt nhỏ nhất, nên tác dụng lên phần nước bên áp suất phụ p’ hướng lên Áp suất phụ có tác dụng ngược với áp suất ngồi lên mặt thoáng chất lỏng ống mao dẫn, làm cân thuỷ tĩnh nước ống bị đẩy lên áp suất thuỷ tĩnh ống mao dẫn với độ lớn áp suất phụ p’ Áp suất phụ mà bề mặt lõm tác dụng lên cột chất lỏng bên thương số lực kéo mép nước lên với tiết diện ống mao dẫn Lực kéo mép nước lên có độ lớn lực căng bề mặt nước ngược chiều Lực căng bề mặt nước ống mao dẫn: F = σ l = σπ d , d đường kính ống ' ’ Gọi F lực kéo mép nước, thì: F = F Do đó: - 16 - σπ d  d  , áp suất thuỹ tĩnh p = ρ gh π ÷ 2 4σ ' Cho p = p , ta rút được: h = , cơng thức tính độ chênh lệch ρgd mực chất lỏng ống mao dẫn Đối với trường hợp khơng dính ướt áp suất phụ p’ hướng xuống cột chất lỏng ống tụt xuống có cân áp suất thuỷ tĩnh ống chậu Các lập luận tương tự trường hợp Sự chuyển thể chất p' = Khí Đơng đặc Lỏng Nóng chảy Rắn Chất tồn trạng thái (còn gọi thể) tùy thuộc vào điều kiện (nhiệt độ, áp suất ) Khi điều kiện thay đổi trạng thái (thể) chất thay đổi Ví dụ: Ở áp suất 1atm nhiệt độ thấp 0C nước trạng thái rắn (nước đá), áp cũ nhiệt độ nằm khoảng 0C đến 1000C nước trạng thái lỏng, cịn nhiệt độ cao 1000C nước trạng thái khí Sự chuyển thể (sự chuyển pha) q trình mà xảy chuyển chất từ thể sang thể khác 3.1 Biến đổi pha Sự biến đổi trạng thái chất trường hợp riêng biến đổi pha Người ta phân chuyển pha thành loại biến đổi pha loại biến đổi pha loại 3.1.1 Biến đổi pha loại Sự biến đổi pha loại trình mà chất ban đầu chuyển từ pha sang pha khác áp suất nhiệt độ khơng đổi có kèm theo đặc trưng: thu nhiệt hay tỏa nhiệt (nhiệt chuyển pha); thay đổi đột biến thể tích riêng; tồn trạng thái bền vững lân cận điểm chuyển pha trạng thái lạnh, trạng thái bão hòa Các biến đổi thuộc loại gồm : biến đổi từ rắn sang lỏng (sự nóng chảy) ngược lại (sự đông đặc hay kết tinh); biến đổi từ lỏng sang (sự hóa bao gồm sơi bay hơi) chuyển ngược lại (sự ngưng tụ); biến đổi từ rắn sang (sự thăng hoa) ngược lại (sự ngưng kết) Một số biến đổi từ dạng tinh thể sang dạng tinh thể khác thuộc loại số chuyển hóa đa hình 3.1.2 Biến đổi pha loại Biến đổi pha loại có đặc trưng : khơng có nhiệt chuyển pha; thể tích riêng chất khơng có thay đổi đột biến điểm chuyển pha; nhiệt dung riêng chất thay đổi đột biến diểm chuyển pha; hệ số dãn nở nhiệt hệ số nén đẳng nhiệt thay đổi đột biến chuyển pha; không quan sát thấy trạng thái bền vững lân cận điểm chuyển pha Các biến đổi pha loại gồm : chuyển kim loại từ trạng thái sắt từ sang trạng thái thuận từ điểm chuyển pha gọi Curie sắt 770 0C, côban 1120 - 17 - C…; chuyển kim loại trạng thái siêu dẫn nhiệt độ thấp Chì 7,26K, thiếc 3,71K… Ngồi cịn có chuyển Heli lỏng I sang Heli lỏng II nhiệt độ 2.2K số biến đổi pha vật rắn kết tinh 3.2 Sự nóng chảy đơng đặc 3.2.1 Nhiệt độ nóng chảy Sự nóng chảy q trình chất biến đổi từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng Nhiệt độ cung cấp cho vật rắn nóng chảy gọi nhiệt độ nóng chảy hay điểm nóng chảy Dưới áp suất ngồi định, vật rắn kết tinh chất có nhiệt độ nóng chảy xác định nhiệt độ khơng đổi suốt thời gian nóng chảy vật nhận nhiệt từ ngồi Sau vật rắn nóng chảy nhiệt khối lỏng tiếp tục tăng ta đun nóng vật Quá trình chất biến đổi từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn (sự đông đặc) xảy khối lỏng truyền nhiệt cho vật Nhiệt độ đông đặc không đổi suốt thời gian đông đặc khối nhiệt truyền cho vật Ta sử dụng thuyết động học phân tử để giải thích tượng nóng chảy đơng đặc Khi nung nóng vật rắn kết tinh, động trung bình hạt cấu tạo vật rắn tăng lên chúng xa cho vật dãn nở Lúc phần động tăng thêm dùng để thắng lực tương tác hạt (lúc lực hút) làm cho tương tác tăng lên Tiếp tục nung nóng tương tác động trung bình hạt tiếp tục tăng nhiệt độ vật tăng Khi động trung bình hạt đủ lớn đến mức lực hút hạt khơng cịn giữ chúng nút mạng mạng tinh thể bị phá vỡ dần bắt đầu nóng chảy Tiếp tục nung nóng thì tượng nóng chảy tiếp diễn vật rắn nóng chảy hết Trong q trình nóng chảy nội vật tăng lên nhờ lượng cung cấp từ dạng truyền nhiệt Vì q trình nóng chảy nhiệt độ hệ không đổi nên phần nội tăng thêm tăng hạt Hiện tượng đơng đặc giải thích tương tự 3.2.2 Nhiệt nóng chảy riêng Khi nóng chảy vật rắn kết tinh ln nhận nhiệt từ ngồi, đơng đặc khối lỏng tỏa nhiệt Lượng nhiệt nhận vào lượng nhiệt tỏa gọi nhiệt nóng chảy Q Nhiệt lượng cần làm nóng chảy hồn tồn đơn vị khối lượng chất nhiệt độ không đổi gọi nhiệt nóng chảy riêng, ký hiệu λ Đơn vị J/kg Nhiệt nóng chảy xác định : Q = λ m 3.2.3 Sự biến đổi thể tích riêng chuyển thể Đa số trường hợp, thể tích riêng chất tăng lên nóng chảy giảm đơng đặc Song có trường hợp bất thường : nước đá nước, bitsmút rắn bitsmút lỏng, gang cục gang lỏng … thể tích riêng chúng giảm nóng chảy tăng lên đơng đặc 3.2.4 Sự đơng đặc Q trình chất biến đổi từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn gọi đơng đặc Sự đơng đặc xảy khối lỏng truyền nhiệt cho vật Nhiệt độ đông đặc không đổi suốt thời gian đông đặc khối nhiệt truyền cho vật ngồi Chất rắn kết tinh nóng chảy đơng đặc nhiệt độ điều kiện Chất rắn vơ định nhựa đường, thuỷ tinh, nhựa thơng,… bị nung nóng mềm dần lỏng nhiệt độ tăng liên tục Khi vật đơng đặc - 18 - nhiệt độ chúng giảm liên tục Vậy chất vơ định hình khơng có nhiệt độ nóng chảy hay đơng đặc định 3.2.5 Ứng dụng Sự nóng chảy đông đặc chủ yếu kim loại, ứng dụng công nghệ đúc, chế tạo số hợp kim có tính chất mong muốn nhờ pha trộn sau nấu chảy 3.3 Sự hóa ngưng tụ 3.3.1 Sự hóa Sự hóa trình chất biến đổi từ trạng thái lỏng sang trạng thái Sự hóa báo gồm bay sôi Sự bay hóa xảy mặt thống chất lỏng nhiệt độ * Hiện tượng bay giải thích sau: nhiệt độ xác định, phân tử chất lỏng có động khác nhau, lớp mặt khối chất lỏng phân tử có động đủ lớn (lớn động trung bình) thắng lực hút phân tử chất lỏng gần chúng thoát khỏi khối lỏng tạo thành chất mặt thống Khi nhiệt độ tăng số phân tử có động đủ lớn nhiều nên số phân tử ngồi chất lỏng nhiều, độ bay tăng theo nhiệt độ Khi chuyển sang trạng thái hơi, phân tử chuyển động hỗn loạn bề mặt khối lỏng, quay trở khối lỏng trở thành phân tử chất lỏng gọi ngưng tụ Sự ngưng tụ xảy đồng thời mặt thoáng chất lỏng làm giảm tốc độ bay 3.3.2 Nhiệt hóa Khi bay lượng chất lỏng lạnh dần dần phần tử có động lớn nên động trung bình phân tử cộng lại chất lỏng giảm dần Để giữ nhiệt độ chất lỏng khơng thay đổi bay phải truyền nhiệt cho Nhiệt lượng gọi nhiệt hóa Q, bù vào phần nội bị bay Nhiệt lượng cần để cung cấp cho đơn vị khối lượng trạng thái lỏng chuyển tất thành trạng thái nhiệt độ không đổi gọi nhiệt hóa riêng L Cơng thức tính nhiệt hóa : Q = L.m 3.3.3 Hơi bão hịa Trên mặt thống chất lỏng ln xảy đồng thời hai trình bay ngưng tụ Khi bay hơi, số phân tử thoát khỏi chất lỏng đơn vị thời gian nhh qua đơn vị mặt ngồi (mặt thống) chất lỏng số phân tử bay n hh tăng theo nhiệt độ Ở nhiệt nhh phụ thuộc vào chất chất lỏng Số phân tử bay vào chất lỏng đơn vị thời gian qua đơn vị mặt thoáng nhl Khi nhiệt độ tăng số phân tử ngưng tụ n hl tăng theo mật độ phân tử n0 tăng lên Lúc đầu nhh > nhl chất lỏng hóa Khi nhiệt độ định, chất lỏng bay nên mật độ phân tử n tăng lên kéo theo số phân tử hóa lỏng n hl tăng lên đến nhh = nhl có bão hịa Như vậy, trạng thái bão hòa trạng thái cân động với chất lỏng Khi xảy trạng thái bão hòa áp suất đạt giá trị cực đại gọi áp suất bão hòa pbh Hơi bão hịa có đặc tính : thứ nhất, nhiệt độ khơng đổi áp suất bão hịa chất có giá trị định ; thứ hai, với chất lỏng áp suất bão hòa phụ thuộc vào nhiệt độ ; thứ ba, áp suất bão hịa khơng phụ thuộc vào thể tích - 19 - 3.3.4 Sự sơi Sự sơi q trình hóa xảy tồn khối lỏng Sự sôi xảy áp suất chất lỏng hay lớn áp suất khơng khí phía mặt thống chất lỏng Sự sơi chất lỏng q trình hóa mạnh tạo thành bọt lòng chất lỏng, bọt qua mặt thống ngồi * Ta giải thích chế sơi sau: Để có sơi chất lỏng phải có bọt Điều kiện để có bọt áp suất khí bên bọt phải cân với áp suất bên nén bọt lại Các áp suất bên bọt khí gồm có áp suất bão hòa chất lỏng p bh, áp suất khí khác hịa tan chất lỏng p’ Các áp suất bên ngồi gồm có áp suất khí nén mặt thoáng chất lỏng H, áp suất thủy tĩnh cột chất lỏng ρgh áp suất phụ 2α Như vậy, điều kiện tồn bọt khí R 2α 2α pbh + p' = H + ρgh + Khi bọt khí lớn có giá trị nhỏ, mặt khác độ sâu R R gây mặt cầu bọt h không lớn nên ρgh nhỏ so với H áp suất p’ không lớn Do độ sai lệch khơng lớn nên ta có pbh ≈ H Khi có điều kiện pbh ≈ H bọt khơng bị bóp vỡ lịng chất lỏng mà nhờ lực đẩy Ác-si-mét lên mặt thống vỡ tung tống Căn vào điều kiện sôi pbh ≈ H người ta rút định luật sơi: Dưới áp suất ngồi xác định H, chất lỏng sôi nhiệt độ t s ứng với áp suất bão hòa pbh áp suất ngồi H Khi sơi, nhiệt độ chất lỏng không thay đổi nên ts gọi nhiệt độ sôi Như vậy, nhiệt độ sôi phụ thuộc áp suất ngồi H Độ ẩm khơng khí Độ ẩm KK Độ ẩm tuyệt đối Độ ẩm tỉ đối Độ ẩm cực đại Độ ẩm khơng khí khía cạnh bay nước khí Hai phần ba Trái Đất bị nước bao phủ Lượng nước không ngừng bay tạo thành lớp nước khí dầy từ 10 đến 17 km Mọi q trình bay khí phụ thuộc độ ẩm khơng khí Việc khảo sát độ ẩm khơng khí có ý nghĩa quan trọng đời sống kỹ thuật 4.1 Độ ẩm tuyệt đối Độ ẩm tuyệt đối a khơng khí cho biết khối lượng nước tính gam chứa 1m3 khơng khí 4.2 Độ ẩm cực đại Độ ẩm cực đại A không khí nhiệt độ cho biết khối lượng nước bão hịa tính gam chứa 1m3 khơng khí - 20 - 4.3 Độ ẩm tỉ đối Độ ẩm tỉ đối f = a mô tả mức độ ẩm khơng khí nhiệt độ tương ứng Độ A ẩm tỉ đối lớn, nước khơng khí gần trạng thái bão hịa nước khó tiếp tục bay thêm khơng khí Những dự đốn thời tiết địi hỏi phải xác định xác đồng thời độ ẩm tuyệt đối độ ẩm tỉ đối khơng khí Khi nhiệt độ tăng độ ẩm tuyệt đối độ ẩm cực đại tăng độ ẩm cực đại tăng nhanh nên độ ẩm tương đối giảm Độ ẩm tương đối có giá trị lớn nước khơng khí gần trạng thái bão hịa nước khó tiếp tục bay vào khơng khí Độ ẩm tuyệt đối vào buổi trưa thường cao vào buổi chiều, miền nhiệt đới cao miền ôn đới Ngược lại, độ ẩm tương đối thường có giá trị nhỏ vào buổi trưa, độ ẩm tương đối mùa đông thường lớn mùa hè Độ ẩm tương đối khơng khí thường cao vào khoảng 80% đến 90% tùy theo vùng địa lý Sự bay qua da có vai trò lớn việc điều hòa thân nhiệt Sự bay phụ thuộc vào độ ẩm tuyệt đối khơng khí tức phụ thuộc vào độ ẩm tương đối Ngồi ra, nước khơng khí cịn có ảnh hưởng lớn đến độ bền vật liệu, ảnh hưởng đến trình sinh học… 4.3 Vai trò độ ẩm - Độ ẩm tỉ đối thông số quan trọng dự báo thời tiết - Độ ẩm ảnh hưởng đến độ bền vật liệu: han rỉ kim loại, làm mục gỗ - Độ ẩm nhiệt độ điều kiện cần thiết cho trình sinh học (lên men,…) 4.4 Đo độ ẩm Để đo độ ẩm khơng khí người ta dùng ẩm kế cách đo thường cho giá trị gần Muốn đo xác phải đo gián tiếp thông qua việc xác định điểm sương Biết nhiệt độ điểm sương dùng bảng ghi áp suất nước bão hòa độ ẩm cực đại ứng với nhiệt độ xác định để suy độ ẩm tuyệt đối độ ẩm tương đối - 21 - C KẾT LUẬN Môn học nghiên cứu chương trình Vật lí THPT cần thiết với đã, đứng bục giảng Tìm hiểu mơn học, giáo viên đạt mục tiêu dạy học, có phương pháp nghiên cứu chương trình nội dung sâu sắc Trong tiểu luận tổng hợp hệ thống kiến thức chương VII SGK Vật lí 10 Mỗi đơn vị kiến thức có phân tích, lập luận lơgic khoa học đưa đến kiến thức cụ thể Tuy nhiên, tiểu luận trình bày phần nội dung kiến thức chương VII SGK Vật lí 10 Hơn nữa, thời gian có hạn, nhiều chỗ kiến thức trình bày chưa rõ ràng, sâu sắc chắn thiếu sót điều khơng tránh khỏi Mong Thầy bạn góp ý cho tiểu luận hồn chỉnh - 22 - D TÀI LIỆU THAM KHẢO Lương Duyên Bình (Tổng chủ biên) (2007), Vật lý 10 Cơ bản, NXB Giáo dục Lương Duyên Bình (Tổng chủ biên) (2007), Vật lý 10 (Sách giáo viên), NXB Giáo dục Lương Dun Bình (Chủ biên) (2007), Vật lí đại cương (tập 1), Nhà xuất Giáo dục Vũ Thanh Khiết (1994), Vật lý 11 (Sách giáo viên), Nhà xuất Giáo dục David Halliday (Chủ biên) (2002), Cơ sở vật lí (tập 4), Nhà xuất giáo dục Nguyễn Thế Khơi (1992), Vật lí chất rắn, Nhà xuất giáo dục Nguyễn Thế Khôi (Tổng chủ biên) (2007), Vật lí 10 nâng cao(sách giáo khoa), Nhà xuất giáo dục Nguyễn Thế Khôi (Tổng chủ biên) (2007), Vật lí 10 nâng cao (sách giáo viên), Nhà xuất giáo dục Nguyễn Đức Thâm (Chủ biên) (2004), Phương pháp dạy học Vật lí trường phổ thông, Nhà xuất Đại học sư phạm 10.Lê Cơng Triêm (2004), Giáo trình nghiên cứu chương trình vật lý phổ thơng, Đai học Huế 11.Bùi Trọng Tuân (1999), Vật lý phân tử nhiệt học, Nhà xuất Giáo dục 12.Đỗ Ngọc Uẩn (2002), Giáo trình vật lý chất rắn đại cương, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà nội 13.Vụ giáo dục trung học (2006), Tài liệu bồi dưỡng giáo viên lớp 10 mơn Vật lí, Nhà xuất giáo dục - 23 - ... THỨC Sự biến dạng VR CHẤT RẮN Sự nở nhiệt VR HT căng bề mặt CHẤT LỎNG HT dính ướt khơng dính ướt HT mao dẫn CHƯƠNG VII Sự nóng chảy SỰ CHUYỂN THỂ Sự đơng đặc Sự hóa Sự ngưng tụ ĐỘ ẨM CỦA KK Chất. .. gặp vật chất Vật chất trạng thái rắn gọi chất rắn Chất rắn Chất rắn kết tinh Chất rắn đơn tinh thể thể Chất rắn đa tinh thể Có tính dị hướng Có tính đẳng hướng Chất rắn vơ định hình Chất rắn... nước trạng thái lỏng, cịn nhiệt độ cao 1000C nước trạng thái khí Sự chuyển thể (sự chuyển pha) q trình mà xảy chuyển chất từ thể sang thể khác 3.1 Biến đổi pha Sự biến đổi trạng thái chất trường