Bài giảng vật lý đại cương chương 3 chất lỏng

Sự chảy dừng Sự chảy ổn định Sự chảy mà vận tốc của các phần tử chất lỏng khác nhau lần lượt đến một điểm nào đó trong không gian lại như nhau.. Giả sử chất lỏng chảy ở trạng thái dừng

Trang 1

Chương 3: Chất lỏng

§1 Sự chảy dừng PT liên tục PT Bernoulli

§2 Tính nhớt của chất lỏng PT Newton

§3 Sự chảy tầng, chảy rối Ứng dụng n/c hệ sinh vật

§4 Chuyển động phân tử và đặc điểm của chất lỏng

§5 Hiện tượng căng bề mặt chất lỏng

§6 Sự làm ướt, không làm ướt Áp suất phụ Hiện tượng mao dẫn.

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

Vietnam National University of Agriculture

Trang 2

I Sự chảy dừng Phương trình liên tục

1 Sự chảy dừng (Sự chảy ổn định)

Sự chảy mà vận tốc của các phần tử chất lỏng khác nhau lần lượt đến một điểm nào đó trong không gian lại như nhau

Hay: Véctơ vận tốc của chất lỏng tại mỗi điểm cố định không thay đổi theo thời gian cả về hướng và độ lớn

A

v A

Trang 3

Đường dòng: Là những đường mà tiếp tuyến ở mỗi điểm

của nó trùng với phương của véctơ vận tốc chất lỏng, chiều là chiều chuyển động của chất lỏng

Đặc điểm: Các đường dòng không bao giờ cắt nhau

Trang 4

Ống dòng: Tập hợp các đường dòng tựa trên một chu vi

tưởng tượng trong chất lỏng tạo thành một ống dòng

Đặc điểm: Các phần tử chất lỏng ở trong ống dòng

Trang 7

Giả sử chất lỏng chảy ở trạng thái dừng (Đường dòng

và ống dòng không thay đổi theo thời gian, các đường dòng không cắt nhau, phần chất lỏng trong ống không

chảy qua thành ống) và khối chất lỏng không chịu

nén(thể tích không đổi), ống dòng liên tục (không có

chỗ rỗng hoặc tích tụ chất lỏng)

Q  Q

Với giả sử trên → nên lưu lượng chất lỏng chảy qua tiết diện S1 và S2 là như nhau:

Nhận xét

Trang 9

Trang 10

II Phương trình Bernoulli Hệ quả và ứng dụng

Trang 12

Tại vị trí 1: S

Trang 13

như không đổi

→ Có thể xem quá trình di chuyển này tương đương như khối chất lỏng qua S1 một đoạn S1S1’, qua S2 một đoạn

S2S2’

Trang 14

Tính cơ năng của khối chất lỏng

Khối lượng của khối chất lỏng là: m = ∆V.ρ (Với ρ là khối lượng riêng của chất lỏng) Cơ năng của phần chất lỏng

∆V là:

Trang 15

∆W = Ang (6)

Trang 16

+Áp lực F1=P1S1 đẩy khối chất lỏng ∆V chảy vào S1

+Áp lực F2=P2S2 ngăn khối chất lỏng ∆V chảy ra S2

→ Công mà áp lực F1 thực hiện là: A1= P1S1∆l1 > 0

Công mà áp lực F2 thực hiện là: A2= P2S2∆l2 < 0

Tính công của ngoại lực

Trang 17

Thay (5) và (7) vào (6) ta được:

Trang 18

Gọi P là áp suất tĩnh (Do ngoại lực gây lên và là nguyên nhân gây ra chuyển động của khối chất lỏng

: Áp suất động

: Áp suất thủy lực (do chiều cao cột chất lỏng gây lên)

Phát biểu: Trong một dòng chảy dừng của khối chất

lỏng lý tưởng, tổng áp suất động, áp suất tĩnh và áp suất thủy lực là một đại lượng không đổi

Trang 19

Nhận xét

: Động năng riêng của chất lỏng (động năng của một đơn vị thể tích)

: Thế năng riêng của chất lỏng

P là năng lượng riêng của áp suất (?)

→ Phương trình Bernoulli thực chất là định luật bảo toàn năng lượng đối với dòng chất lỏng chuyển động và chất khí

Trang 22

3 Ứng dụng

Trang 23

Trang 24

Bộ chế hòa khí

Khi không khí hút vào đến B

thì vận tốc tăng → áp suất

tĩnh tại B giảm xuống nên

xăng bị hút lên và phân tán

thành những hạt nhỏ trộn lẫn

với không khí tạo thành

hỗn hợp đi vào xilanh

Trang 25

I Tính nhớt của chất lỏng Phương trình Newton

1 Tính nhớt của chất lỏng

Hiện tượng nhớt là hiện tượng mà giữa các lớp của chất lỏng thực có vận tốc khác nhau

Điều kiện để có ma sát nhớt: Các lớp chất lỏng phải

chuyển động với vận tốc khác nhau

2 Lực ma sát nhớt

Lực ma sát nhớt tác dụng trên diện tích tiếp xúc giữa hai lớp chất lỏng tỷ lệ với diện tích ∆S và với gradient của vận tốc (tính dọc theo trục Ox vuông góc với )

Trang 26

Phương trình Newton

Hệ số nhớt Đơn vị: pascal.giây (Pa.s)

Hệ số nhớt phụ thuộc vào môi trường và cho biết lực ma sát lớn hay nhỏ

Trang 27

II Ứng dụng nghiên cứu tính nhớt của môi trường

Trong công nghiệp và trong xây dựng cần xác định độ nhớt thích hợp cho các loại dầu bôi trơn, sơn, keo, vữa xây dựng và nhiều vật liệu khác…

Trong sinh học việc nghiên cứu độ nhớt của các dịch sinh học cho phép tìm hiểu nhiều quá trình xảy ra trong

tế bào và các cơ quan trong cơ thể

Trang 28

I Sự chảy tầng và chảy rối

Chảy thành lớp (chảy tầng)

Các phân tử của lớp này không thâm nhập được sang lớp khác vì vậy có thể coi đây là trạng thái chảy dừng của chất lỏng và định luật Bernoulli được nghiệm đúng

Dòng chảy dừng ít gặp trong thực tế

§3 Sự chảy tầng, chảy rối Ứng dụng N/C hệ SV

Trang 29

Chảy rối

Khi tăng vận tốc chảy của chất lỏng nhớt → tạo ra xoáy

và chuyển động của chất lỏng trở thành chảy xoáy hay chảy rối → phương của véctơ vận tốc luôn luôn thay đổi

Trang 30

Số Reynolds

Đặc trưng cho đặc tính chảy của chất lỏng

: Khối lượng riêng của chất lỏng : Vận tốc trung bình của dòng chất lỏng tính theo tiết diện ngang của ống

: Đường kính ống dòng : Hệ số nhớt của chất lỏng Phụ thuộc vào bản chất

Trang 31

Nhận xét

Khi nhỏ thì chất lỏng chảy dừng và khi lớn hơn giá trị giới hạn thì chất lỏng chảy rối và vận tốc khi đó gọi là vận tốc đột biến

Chảy thành lớp:

Chuyển sang chảy rối (cuộn xoáy):

Sự chảy là cuộn xoáy: R e  2000

Trang 32

→ Đó là dấu hiệu để chẩn đoán bệnh

Trang 33

I Lực phân tử và thế năng tương tác phân tử

1 Lực phân tử

Định nghĩa

Lực phân tử là lực tương tác giữa các phân tử, lực gắn bó các phân tử lại với nhau để tạo thành các trạng thái rắn, lỏng, khí

Đặc điểm

Lực phân tử phụ thuộc vào cấu trúc bên trong phân tử và

vị trí tương đối giữa các phân tử

Tính chất

Lực phân tử bao gồm lực hút và lực đẩy Hai lực này phụ thuộc vào khoảng cách r giữa các phân tử Hai lực này đều nghịch biến theo r nhưng lực đẩy thay theo r nhanh hơn

Trang 35

đều tăng so với VTCB nhưng do

lực đẩy tăng nhanh hơn nên lực

phân tử là lực đẩy

đều giảm so với VTCB nhưng

do lực đẩy giảm nhanh hơn nên

lực phân tử là lực hút

lớn lực phân tử tỷ lệ với độ biến dạng ở mức độ phân tử

Trang 36

2 Thế năng tương tác phân tử

Trang 38

Các trạng thái của vật chất

min

(Wđ W t )

Trạng thái rắn: Phân tử không thể vượt

khỏi hố thế nên chỉ dao động xung quanh VTCB và gọi

là trạng thái rắn của vật chất

Trạng thái khí: Phân tử dễ dàng vượt khỏi

hố thế và có thể dời chỗ dễ dàng nên hình thành trạng thái khí

min

(Wđ W t )

min

(Wđ W t )

Trạng thái lỏng: Phân tử nào có động năng

lớn hơn thế năng cực tiểu thì vượt qua hố thế còn nhỏ hơn thế năng cực tiểu thì dao động xq VTCB → Hình

Trang 40

Trạng thái Plasma

Plasma là trạng thái thứ

tư của vật chất trong đó

các chất bị ion hóa mạnh

Plasma không phổ biến

trên Trái Đất tuy nhiên

Trang 41

Đèn Plasma

Điện áp rất cao ở tâm

của quả cầu gây nên

một điện trường đủ

mạnh để ion hóa các

nguyên tử khí trơ

Các ion khí trơ này di chuyển thành dòng ra vỏ quả cầu

do chênh lệch điện thế, tạo thành dòng plasma nguội và phát sáng

Trang 42

III Đặc điểm của chất lỏng

Chất lỏng đẳng hướng, cấu trúc vô định hình Tùy theo nhiệt độ và áp suất mà chất lỏng có t/c giống chất khí hay chất rắn

Ở điều kiện bình thường, chất lỏng giống chất rắn là không chịu nén nên có thể tích hầu như không đổi và có mật độ lớn nhưng giống chất khí là có thể thay đổi hình dạng theo bình chứa, có thể chảy

Trang 43

I Áp suất phân tử A

B

Với chất lỏng, lực hút phân

tử chiếm ưu thế Nhưng các

phân tử chỉ tương tác trong

Trang 44

→ Lực tổng hợp tác dụng lên

phân tử A hướng vào trong lòng

chất lỏng tạo ra áp suất gọi là áp

Trang 45

II Năng lượng bề mặt

Các phân tử ở gần bề mặt chất lỏng có thế năng tương tác lớn hơn thế năng tương tác của các phân tử trong lòng chất lỏng

Khái niệm: Tổng độ chênh lệch thế năng tương tác của

các phân tử bề mặt so với các phân tử trong lòng chất lỏng gọi là năng lượng bề mặt E

Biểu thức: (WtA W )tB (*)

Be mat chat long

Trang 48

Trạng thái căng bề mặt chất lỏng

Năng lượng bề mặt có dạng thế năng mà thế năng có xu hướng giảm đến nhỏ nhất → xu thế giảm năng lượng bề mặt đến cực tiểu, do E ~ S nên diện tích bề mặt có xu hướng giảm đến nhỏ nhất

Đây gọi là hiện tượng co bề mặt chất lỏng

Như vậy, một khối chất lỏng tự nhiên luôn có xu hướng

co lại sao cho diện tích bề mặt là nhỏ nhất (Dạng hình cầu vì trong tất cả các hình có cùng thể tích thì hình cầu

Trang 49

Nhà du hành Leroy Chiao, một

sĩ quan trên trạm vũ trụ quốc

tế (phi đoàn 10) đang quan sát một giọt nước hình cầu lơ lửng giữa anh và chiếc máy quay phim, ở trên trạm Trong giọt nước hiện lên ảnh của

Chiao (Ảnh: NASA)

Giọt dầu hình cầu lơ lửng trong cồn

Dầu Rượu

Trang 50

Trạng thái căng bề mặt chất lỏng

Xét lớp chất lỏng được giới hạn bởi 1 khung bằng kim loại Do xu hướng của lớp chất lỏng là luôn co lại sao cho diện tích bề mặt là nhỏ nhất → sinh ra lực F1 tác dụng vào khung kim loại

Theo Định luật 3 Newton, các phân tử khung kim loại cũng sẽ tác dụng lực F2 vào các phân tử chất lỏng Lực

F2 này có tác dụng kéo căng bề mặt chất lỏng và làm cho bề mặt chất lỏng ở trạng thái căng

F gọi là lực căng bề mặt chất lỏng

Trang 51

Lực căng bề mặt chất lỏng

Định nghĩa: Lực căng bề mặt chất lỏng hướng theo tiếp

tuyến với bề mặt chất lỏng, vuông góc với chu vi giới hạn bề mặt và làm căng bề mặt chất lỏng

Độ lớn: F = σ.l

Với l là chiều dài chu vi giới hạn bề mặt chất lỏng

Trang 52

Trang 53

Ứng dụng

Do hiện tượng căng bề mặt của chất lỏng nên nước mưa không thể chảy qua các lỗ nhỏ giữa các sợi vải căn trên ô

dù hoặc trên mui ôtô tải,…

Hòa tan xà phòng vào nước sẽ làm giảm đáng kể lực căng bề mặt của nước, nên nước xà phòng dể thấm vào các sợi vải khi giặt để làm sạch các sợi vải

Trang 54

I Sự làm ướt – không làm ướt

F Lực hút của các phân tử chất lỏng khác tác dụng lên

A và hướng vào trong lòng chất lỏng

Trang 55

Để các phân tử chất lỏng trên bề mặt ở trạng thái cân

bằng thì lực tổng hợp tác dụng lên bề mặt phải vuông góc

Trang 56

Cụ thể: Bề mặt chất lỏng gần thành bình bị cong lồi nếu

FA hướng vào trong lòng chất lỏng và cong lõm nếu FA

hướng vào thành bình

§6 Sự làm ướt, không làm ướt Áp suất phụ Hiện tượng mao dẫn

Trang 58

Nhận xét

vật tiếp xúc Ví dụ: Nước

trong bình thủy tinh, giọt

dầu loang rộng trên mặt

Thủy ngân trong bình thủy

tinh, nước trên lá khoai,

Trang 59

θ = 180 o: Chất lỏng không làm ướt hoàn toàn vật tiếp

Trang 60

II Áp suất phụ

Do bề mặt chất lỏng gần thành bình luôn bị cong mà

diện tích mặt cong lớn hơn diện tích mặt phẳng

Bề mặt chất lỏng luôn có xu hướng co lại sao cho diện

Trang 61

cong lõm, áp suất phụ ngược

chiều với áp suất phân tử P (∆p

↑↓ P)

Khi bề mặt chất lỏng có dạng

cong lồi, áp suất phụ cùng chiều

với áp suất phân tử P (∆p ↑↑ P)

P

Trang 63

Theo định luật bảo toàn năng

lượng, công dA dùng để tăng năng

Trang 64

III Hiện tượng mao dẫn

Định nghĩa

Hiện tượng mao dẫn là hiện tượng cột chất lỏng dâng

lên hay hạ xuống trong ống có đường kính nhỏ khi

Trang 66

Công thức tính độ cao h

Xét ống nhỏ có bán kính r

nhúng trong chất lỏng

Giả sử khối chất lỏng trong

ống dâng lên đoạn h và bề

Trang 67

dâng lên đến khi áp suất

tác dụng bởi chiều cao cột

Trang 69

Dầu hỏa có thể ngấm theo các

sợi nhỏ trong bấc đèn lên đến

ngọn bấc

Trang 70

Lịch mực mao dẫn sử dụng các ống mao dẫn của mực lan

rộng trên giấy để hiển thị ngày tháng

Định dạng
Số trang	70
Dung lượng	1,71 MB