Phân tích một số kiến thức về chất rắn, chất lỏng và sự chuyển thể

Cụ thể, đi sâu nghiên cứu về chất rắn kết tinh, chất rắn vô địnhhình, biến dạng cơ của vật rắn, sự nở vì nhiệt của vật rắn; chất lỏng, các hiện tượng bề mặtcủa chất lỏng, sự chuyển thể c

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 3

NỘI DUNG 4

A Một số kiến thức cơ bản 4

I Các khái niệm 4

II Các định luật 4

III Các ứng dụng 4

B Phân tích một số kiến thức về chất rắn, chất lỏng và sự chuyển thể 4

I Chất rắn 4

1 Chất rắn kết tinh 4

2 Chất rắn vô định hình 9

3 Các sai hỏng ở mạng tinh thể 11

4 Biến dạng của vật rắn 11

II Chất lỏng 19

1 Khái niệm chất lỏng 19

2 Cấu trúc chất lỏng 19

3 Hiện tượng căng bề mặt của chất lỏng 19

4 Lực căng bề mặt 21

5 Hiện tượng dính ướt và không dính ướt 22

6 Hiện tượng mao dẫn 24

III Sự chuyển thể của các chất 26

1 Khái niệm về pha và sự chuyển pha 26

2 Sự nóng chảy và sự đông đặc 26

3 Sự hóa hơi và sự ngưng tụ 28

IV Độ ẩm không khí 30

1 Độ ẩm tuyệt đối 30

2 Độ ẩm cực đại 30

3 Độ ẩm tỉ đối 30

4 Đo độ ẩm 30

MỞ ĐẦUNghiên cứu chương trình vật lý phổ thông có nhiệm vụ nghiên cứu cấu trúc chươngtrình, nội dung kiến thức được thể hiện trong sách giáo khoa vật lý phổ thông và cách tổchức dạy học một số kiến thức cụ thể học sinh.

Trong những năm gần đây, chương trình và sách giáo khoa đã được biên soạn lại và đưavào giảng dạy nhằm nâng cao chất lượng dạy và học, đáp ứng yêu cầu đổi mới giáo dụctheo chủ trương của Đảng và nhà nước Việc hiểu sâu sắc nội dung kiến thức Vật lý phổthông trong sách giáo khoa là điều kiện cơ bản để giáo viên thực hiện tốt công tác giảngdạy

Với yêu cầu của môn học, trong tiểu luận này, tôi đi sâu nghiên cứu và phân tích làm

rõ kiến thức vật lý trong chương VII “Chất rắn, chất lỏng và sự chuyển thể” trong sáchgiáo khoa vật lý lớp 10 nâng cao để làm cơ sở cho việc việc phân tích cách hình thành kiếnthức trong sách giáo khoa Cụ thể, đi sâu nghiên cứu về chất rắn kết tinh, chất rắn vô địnhhình, biến dạng cơ của vật rắn, sự nở vì nhiệt của vật rắn; chất lỏng, các hiện tượng bề mặtcủa chất lỏng, sự chuyển thể của các chất, độ ẩm của không khí…

Để thực hiện được các nhiệm vụ trên, tôi sử dụng phương pháp nghiên cứu lí thuyết đểnghiên cứu các tài liệu Bao gồm thu thập, lựa chọn, phân tích, tổng hợp từ các tài liệu liênquan bao gồm các tài liệu vật lí phổ thông, vật lí đại cương, vật lí kỹ thuật, chương trình vật

lí phổ thông, truy cập internet … lựa chọn các thông tin liên quan đến chương VII trongsách giao khoa vật lý 10 nâng cao hiện hành

Cấu trúc tiểu luận gồm 3 phần :

Phần I Mở đầu

Phần II Phân tích một số kiến thức về chất rắn, chất lỏng và sự chuyển thể

Phần III Kết luận

- Hiện tượng căng bề mặt của chất lỏng

- Hiện tượng dính ướt, không dính ướt

- Hiện tượng mao dẫn

- Sự chuyển thể, sự nóng chảy, sự sôi, sự ngưng tụ, sự đông đặc, hơi khô, hơi bão hòa

- Độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm tương đối, độ ẩm cực đại

Trạng thái rắn là trạng thái trong đó vật chất có thể tích và hình dạng xác định Các chất ở

trạng thái rắn được gọi là chất rắn

Chất rắn là một dạng của vật chất đặc trưng bởi tính ổn định về hình dạng, có độ rắn chắc

nhất định, có khả năng chống lại những tác động cơ học Xét về cấu trúc, chất rắn đượcchia làm hai loại: kết tinh (tinh thể) và vô định hình Xét theo tính dẫn điện: chất dẫn điện,

Chất rắn kết tinh được cấu tạo từ các tinh thể Tinh thể gồm các nguyên tử, phân tử hoặcion (gọi chung là hạt) sắp xếp một cách có trật tự, tuần hoàn trong không gian Chính vì thế

mà tinh thể có dạng hình học xác định Ví dụ hạt muối có dạng khối lập phương (hình2.1.a), tinh thể phèn chua có dạng khối 8 mặt (hình 2.1.b)

a Các loại mạng tinh thể

+ Những đặc trưng của mạng tinh thể

Xét hình dạng bên ngoài thì coi tinh thể như một đa diện, là một khối được giới hạn bởinhiều mặt Các mặt đó gọi là các mặt bờ Các giao tuyến của các mặt bờ gọi là các cạnh,giao điểm của các cạnh tạo thành các đỉnh của tinh thể

Xét về cấu trúc bên trong thì các hạt được phân bố theo một trật tự, tuần hoàn trongtoàn bộ không gian tinh thể gọi là mạng tinh thể

Nếu không xét đến dao động nhiệt của các hạt thì ta coi như các hạt nằm ở một vị tríxác định gọi là nút mạng Các nút mạng nằm trên một đường thẳng tạo nên một hàng mạng.Các nút mạng nằm trên một mặt phẳng tạo nên một mặt mạng Tập hợp các mặt mạng nàychia cắt không gian bên trong tinh thể thành các hình hộp đồng nhất gọi là ô mạng Ô mạngnhỏ nhất phản ánh được cấu trúc của tinh thể gọi là ô cơ sở Ô cơ sở được xác định bởi bavectơ ⃗a, ⃗b, ⃗c ứng với ba cạnh hình hộp và các góc giữa các vectơ đó    , ,

Các đại lượng ⃗a, ⃗b, ⃗c ,   , , gọi là các hằng số mạng Chúng ta có thể tạo nêntoàn bộ mạng tinh thể bằng cách dịch chuyển ô mạng cơ sở dọc theo ba phương với nhữngkhoảng dịch chuyển bằng các vectơ ⃗a, ⃗b, ⃗c .

+ Phân loại mạng tinh thể

Cuối thế kỷ XIX, nhà tinh thể học người Pháp Bravais (1811-1863) đã tìm cáchphân loại tinh thể và chứng minh được rằng về cơ bản có 14 loại mạng tương ứng 14 loại ô

cơ sở Căn cứ vào tính chất đối xứng của các loại mạng không gian ông chia chúng thành 7

+ Tinh thể ion

Trong loại tinh thể này các hạt ở nút mạng là các ion dương hay âm Bản chất lựcliên kết là lực tương tác tĩnh điện giữa các ion mang điện trái dấu Các tinh thể ion dẫn điệnkém ở nhiệt độ thấp và dẫn điện tốt ở nhiệt độ cao Chúng hấp thụ mạnh các bức xạ trongdải hồng ngoại.

Ví dụ tinh thể muối ăn NaCl có dạng khối lập phương

+ Tinh thể nguyên tử

Các nút mạng ở loại tinh thể này bị chiếm bởi các nguyên tử trung hoà, giữa chúng

có liên kết cộng hoá trị, liên kết này sinh ra nhờ có những cặp điện tử góp chung của từngcặp nguyên tử gần nhau, số cặp điện tử tương ứng với hoá trị của nguyên tử Tinh thể kimcương là tinh thể có liên kết cộng hóa trị Tinh thể loại này có độ cứng cao và dẫn điện kém

ở nhiệt độ thấp

+ Tinh thể kim loại

Loại tinh thể này đặc trưng cho cấu trúc của kim loại Các hạt chiếm các vị trí xácđịnh trong mạng là các ion dương kim loại Đó là các nguyên tử kim loại mà một hay một

số electron ở lớp ngoài cùng của chúng tách ra và trở thành electron tự do Các electron này

có thể dịch chuyển tự do trong toàn bộ mạng tinh thể (khí electron tự do) Trong tinh thểkim loại, các nguyên tử liên kết nhau do tương tác giữa các ion dương với khí electron tựdo.Tinh thể kim loại có tính dẫn điện tốt, dẫn nhiệt tốt và có độ dẻo cao

+ Tinh thể phân tử

Các nút mạng của tinh thể này bị chiếm bởi các phân tử trung hoà Lực liên kết giữacác phân tử trong tinh thể này gọi chung là liên kết Van Der Waals Liên kết này yếu vì thế

Nguyên tử hiđro trung hòa có một electron Trong một số trường hợp, nguyên tửhiđro có thể liên kết bằng một lực hút đáng kể với hai nguyên tử khác tạo thành liên kếthiđro giữa chúng Nó liên kết được vì electron của nguyên tử hiđro liên kết với một nguyên

tử còn proton thì liên kết với nguyên tử thứ hai nên kết quả là hiđro liên kết với hai nguyêntử

Liên kết này tồn tại trong các hợp chất có chứa hiđro cùng với các nguyên tố á kimnhư F, O, N tạo nên sự kết hợp phân tử, sự polime hóa…

c Các đặc điểm của tinh thể

+ Tính dị hướng của tinh thể

Các tính chất vật lý của tinh thể như tính chất cơ học, tính dẫn nhiệt, dẫn điện, sựkhúc xạ ánh sáng… theo các phương khác nhau không giống nhau gọi là tính dị hướng, ví

dụ như tinh thể than chì (graphit)

+ Tính đồng nhất: Trên toàn bộ thể tích tại những điểm khác nhau có những tính chất

tương tự nhau Nếu nghiên cứu tinh thể theo những phương song song với nhau qua cácđiểm khác nhau trong tinh thể ta thấy chúng có cùng tính chất

Tính đồng nhất này là kết quả tất yếu của tính toàn hoàn của mạng: Những nút tương đươngnhau lặp lại một cách tuần hoàn trong không gian của mạng

+ Chất đơn tinh thể và đa tinh thể

Vật rắn được cấu tạo chỉ từ một tinh thể gọi là vật rắn đơn tinh thể, ví dụ như hạt muối,thạch anh…

Các hạt cấu tạo nên tinh thể luôn chuyển động xung quanh vị trí cân bằng của chúng gọi làdao động nhiệt Vì giữa các hạt có liên kết nên tinh thể là một hệ các dao động tử liên kết.

Vì có những sai hỏng trong tinh thể nên ở tinh thể có những nút trống do đó trong khi daođộng các hạt có thể dời chỗ

có nhiệt độ nóng chảy xác định Suốt trong quá trình nóng chảy nhiệt độ biến thiên liên tục,khác với quá trình nóng chảy của chất rắn kết tinh, ở đó có sự thay đổi không liên tục từ rắnsang lỏng ở nhiệt độ không đổi ứng với lúc tinh thể bị phá vỡ chuyển sang cấu trúc của chấtlỏng

Có một số chất như lưu huỳnh, thạch anh, đường có thể tồn tại ở cả dạng tinh thể và

ở dạng vô định hình Dạng vô định hình của chất rắn kém bền hơn dạng tinh thể bởi vì ởdạng vô định hình thế năng tương tác giữa các hạt lớn hơn ở dạng tinh thể Vì vậy, khi đểlâu một số chất vô định hình có thể tự chuyển sang dạng tinh thể

Có thể phân biệt dễ dàng vật thể vô định hình với vật thể kết tinh bằng những đặc điểm dễquan sát của trạng thái lỏng mà vật thể vô định hình mang theo:

- Tính đẳng hướng: các tính chất vật lý của nó như nhau theo mọi phương khác nhau

-Phân biệt bằng đường nóng chảy- đường cong chỉ sự thay đổi nhiệt độ của vật thể theothời gian khi vật thể được nung nóng cho tới điểm nóng chảy:

Nhựa thông Mô hình cấu trúc của thủy tinh

a) Vật thể vô định hình: Đường cong biến thiên liên tục không có điểm nóng chảy xácđịnh-liên kết giữa các hạt khác nhau về lực.

b) Vật thể kết tinh: Đường nóng chảy có những điểm gãy m, n tương ứng với sự bắt đầu

và kết thúc của quá trình chuyển từ cấu trúc tinh thể sang cấu trúc lỏng của vật chất Tronggiai đoạn nung nhiệt độ của tinh thể tăng dần (pm), tới nhiệt độ nóng chảy của vật chất (tc)nhiệt độ của vật ngừng tăng trong một thời gian (m,n) Thời gian này dài hay ngắn còn tùythuộc lò nung nóng ít hay nhiều và khối lượng tinh thể lớn hay nhỏ Suốt thời gian này (từ

m đến n) nhiệt lượng cung cấp cho vật không dùng để tăng nhiệt độ của vật thể mà dùng đểtăng nội năng cho nó bằng những phần năng lượng cần thiết phải có để phá vỡ các mối liênkết giữa các hạt trong cấu trúc mạng, đưa các hạt vào trạng thái dao động và di chuyển dễdàng đối với nhau hơn- trạng thái lỏng

3 Các sai hỏng ở mạng tinh thể

Các mạng tinh thể có cấu trúc hoàn chỉnh đúng như mô tả hình học của nó gọi là cácmạng tinh thể lý tưởng Trong thực tế, tinh thể của các chất có nhiều sai hỏng do sự phá vỡsắp xếp trật tự, đều đặn của mạng Sai hỏng có thể xảy ra trên từng điểm hoặc trên toànđường mạng hay mặt mạng

a Sai hỏng điểm là sai hỏng liên quan đến sự phá vỡ cấu trúc tinh thể tại những điểm riêng

biệt, như tại các nút mạng Có thể có nhiều sai hỏng điểm khác nhau, thứ nhất là do các nút

mạng tinh thể bị bỏ trống (các nút trống), thứ hai là nút mạng bị chiếm bởi một chất khác

(tạp chất), thứ ba là do tong cấu trúc trật tự của mạng bị xen vào những nguyên tử có kích

thước bé hơn (tạp chất chen vào).

b Lệch mạng là sự phá hỏng cấu trúc tinh thể dọc theo đường mạng Có hai loại lệch mạng

là lệch mạng bờ và lệch mạng xoắn

Đồ thị cho thấy sự phụ thuộc của nhiệt độ theo thời gian đối với vật thể

vô định hình (hình a) và vật thể kết tinh (hình b).

c Sai hỏng mặt là do sai hỏng ở các mặt tiếp giáp giữa các tinh thể con trong vật rắn đa tinh

thể Mặt mạng tinh thể chứa các hạt nằm ở biên giới của tinh thể con là miền của các saihỏng mặt Những miền này bảo đảm sự tiếp nối các tinh thể con định hướng khác nhau

+ Biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo

Biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo liên quan đến tính chất (tính đàn hồi và tínhdẻo) của vật rắn, tức là liên quan đến cấu trúc bên trong của vật rắn

- Biến dạng là đàn hồi nếu nó xuất hiện khi có lực tác dụng, rồi mất đi khi lựcngừng tác dụng Khi vật bị biến dạng đàn hồi thì xuất hiện lực đàn hồi

- Biến dạng là dẻo nếu nó xuất hiện khi có lực tác dụng và vẫn còn tồn tại sau khilực ngừng tác dụng

Những vật đàn hồi bị biến dạng quá mức, vượt quá một giới hạn nào đó, thì biếndạng không còn là đàn hồi mà trở thành biến dạng dẻo

Trong biến dạng đàn hồi có thể phân làm nhiều loại biến dạng: kéo, nén, lệch (cắt), xoắn, uốn,…

CẤU TRÚC KHI BIẾN DẠNG DẺO

+ Biến dạng kéo, biến dạng nén

Xét một thanh đồng chất, tiết diện S, đầu trên được dính chặt vào một xà cố định vàđầu dưới chịu tác dụng một lực kéo (lực nén) ⃗ F Thanh bị biến dạng, đó là biến dạng kéo

(biến dạng nén) về một phía Trong thanh xuất hiện những lực đàn hồi chống lại lực ⃗ F .

Thanh sẽ dài thêm (ngắn đi) đến khi lực đàn hồi bằng lực ⃗ F

Với cùng một lực kéo ⃗ F thì độ dài thêm hay độ ngắn lại của thanh còn phụ thuộc

vào tiết diện S của thanh Vì vậy, để đặc trưng cho tác dụng kéo hay nén ta đưa vào kháiniệm ứng suất kéo hay nén Trong trường hợp này, ⃗ F vuông góc với tiết diện S ta gọi là

ứng suất kéo (hay nén) pháp tuyến , và được định nghĩa là lực kéo (hay nén) ứng với một

đơn vị diện tích vuông góc với lực, σ =

F

S Một cách tổng quát thì ứng suất là lực gây biến dạng trên một đơn vị diện tích Đơn

vị của ứng suất là paxcan (1Pa = 1N/m2)

Gọi l 0 là độ dài của thanh khi không có lực kéo (hay nén), l là độ dài khi có lực kéo

(hay nén) và |Δll|=|l−l0| là độ biến dạng của thanh, thì độ biến dạng tỉ đối được định nghĩa

l0 tăng tỉ lệ với ứng suất theo định luật Húc

Nội dung của định luật được phát biểu như sau : Trong giới hạn đàn hồi, độ biến

dạng tỉ đối kéo hay nén của thanh rắn tiết diện đều tỉ lệ thuận với ứng suất gây ra nó Biểu thức của định luật:

|Δll|

l0 ≈

F S

Ta có thể thực hiện các phép biến đổi :

Bình thường trong mạng tinh thể vật rắn, những lực hút ⃗F h và lực đẩy ⃗F đ giữacác hạt cân bằng nhau Khi mạng tinh thể ion bị bị nén chẳng hạn thì khoảng cách giữa cácion giảm Khi đó lực đẩy giữa các ion lớn hơn lực hút nên lực tổng hợp ⃗ F là lực đẩy và

có tác dụng chống lại ngoại lực ⃗F n tác dụng lên ion gây nên biến dạng Các ion sẽ nằm ở

vị trí cân bằng mới dưới tác dụng của lực tổng hợp Biến dạng càng mạnh, các ion bị lệchkhỏi vị trí cân bằng ban đầu càng nhiều và lực tổng hợp càng lớn Trong giới hạn đàn hồi,

sự thay đổi khoảng cách giữa các ion trong mạng tinh thể chưa đủ để phá hủy sự cân bằnggiữa ngoại lực tổng hợp của các ion với ngoại lực Vì vậy các ion vẫn dao động quanh vị trícân bằng mới Khi ngoại lực ngừng tác dụng, lực tổng hợp đẩy các ion về vị trí cân bằng

cũ nên mạng tinh thể phục hồi lại như ban đầu Nếu mạng tinh thể bị nén mạnh, các ionmạng của nó bị thay đổi hình dạng đến mức phá vỡ sự liên kết cân bằng giữa các ion Khi

đó, các ô mạng bị dịch chuyển những khoảng bằng bội số nguyên lần của hằng số mạng vàtới trùng khớp với ô mạng khác nên chúng không trở lại vị trí ban đầu được nữa Khi đóbiến dạng của vật trở thành biến dạng dẻo

+ Biến dạng lệch (hay biến dạng truợt)

Biến dạng lệch là biến dạng mà ở đó có sự lệch đi giữa các lớp vật rắn đối với nhau.Biến dạng lệch còn được gọi là biến dạng trượt hay biến dạng cắt

Trong trường hợp biến dạng lệch thì lực ⃗ F tác dụng song song trên toàn mặt S,

khi đó ứng suất pháp tuyến thay bằng ứng suất tiếp tuyến t

F S

 

và độ biến dạng tỉ đốiđược xác định như sau:

'

AA

tan

OA   , với góc  bé thì tan  , được gọi là góc lệch

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 đó

1

t G

hay t G , ở đây G là hệ số tỉ lệ và được gọi

là môđun lệch.

+ Biến dạng xoắn và uốn

Các biến dạng khác như biến dạng xoắn, biến dạng uốn đều có thể quy về hai loạibiến dạng kéo (nén) và biến dạng lệch Ví dụ, biến dạng uốn của một tấm kim loại, đượcchia nhiều lớp song song, có thể quy về biến dạng kéo của các lớp dưới và biến dạng néncủa các lớp trên Biến dạng xoắn có thể quy về biến dạng lệch của các tiết diện của vật bịxoắn

+ Giới hạn bền

Giá trị ứng suất lớn nhất n tại điểm A gọi là giới hạn tỉ lệ Khi ngoại lực tác dụnglên vật rắn tăng, tức ứng suất  tăng lớn hơn giá trị n thì định lật Húc không còn đúng nữa,nhưng biến dạng vẫn có tính đàn hồi (đoạn AB) Tới giá trị > đn biến dạng bắt đầu tăng

dạng “chảy” của thanh thép Sau đó, độ giãn tỉ đối tiếp tục tăng theo ứng suất  cho đếnđiểm H, tại đó  = b Vượt quá giới hạn b thanh thép bị đứt nên giá trị b gọi là giới hạn

Nếu các hạt không dao động thì khoảng cách giữa chúng là r0 ứng với cực tiểu củathế năng tương tác Giả sử ở nhiệt độ t1, đoạn nằm ngang AB biểu thị mức năng lượng toànphần E1 Các khoảng cách OA và OB là những khoảng cách tương đối nhỏ nhất và lớn nhấtgiữa hai hạt kề nhau trong mạng tinh thể và khoảng cách trung bình giữa hai hạt đó là:

1

OA+OB

r =OM=

2 , ở đây M là điểm giữa của AB

Khi tăng nhiệt độ đến t2 (t2>t1), động năng trung bình của các hạt tăng lên làm chonăng lượng toàn phần E2 tăng lên Đường biểu diễn CD của nó ở đồ thị nằm cao hơn đường

cũ AB, điều đó biểu thị sự tăng biên độ dao động của hạt Do tính chất không đối xứng củacủa đường cong thế năng Et nên khoảng cách trung bình giữa các hạt r2 bây giờ tăng lên(r2>r1) Do đó có sự tăng kích thước của vật rắn khi đốt nóng

Như vậy, khoảng cách trung bình giữa các hạt trong mạng tăng khi vật rắn bị nungnóng Sự giãn nở vì nhiệt của vật rắn được phân thành giãn nở dài và giãn nở khối

+ Sự nở dài

Sự nở dài là sự tăng kích thước của vật rắn theo một phương đã chọn

Hình ảnh sự nở dài

Xét một vật có chiều dài vượt trội so với chiều ngang Gọi l 0 là chiều dài của vật ởnhiệt độ t0 0C, l t là chiều dài của vật ở t 0C Như vậy khi nhiệt độ tăng từ t0 0C lên t 0C thì

chiều dài của vật tăng lên một lượng l = l t – l 0 = l 0 (t – t 0 )

Vậy chiều dài của vật ở t 0C là :

l t = l 0 [1 + (t – t 0 )].

với  là hệ số nở dài phụ thuộc bản chất vật rắn có đơn vị đo là K-1

Thực ra hệ thức trên không được thoả mãn một cách hoàn toàn chính xác, hệ số nở

 dài phụ thuộc ít nhiều vào nhiệt độ Tuy nhiên, thực tế đa số các chất rắn thì sự phụ thuộccủa  vào nhiệt độ là không nhiều nên ta có thể coi  là không đổi Đối với các vật rắn trị

Sự nở vì nhiệt của vật rắn có ý nghĩa thực tiễn hết sức quan trọng trong cuộc sống.Trong một số trường hợp sự giãn nở có lợi được ứng dụng trong việc chế tạo các thiết bịnhư loại role nhiệt Một số trường hợp giãn nở có hại cần phải khắc phục như đường ốngdẫn khí, thanh ray đường sắt…

Sự nở dài trong kĩ thuật và cách khắc phục

Bê tông cốt thép bền vì hệ số

nở nhiệt của chúng gần

giống nhau