3.2.Chuyển động nhiệt trong chất lỏng
3.2.1. Tính chất chung và cấu trúc phân tử
Từ trạng thái khí nếu làm lạnh nó sẽ chuyển sang trạng thái lỏng, nếu tiếp tục làm lạnh nó sẽ tiếp tục chuyển sang trạng thái rắn. Vì vậy có thể nói trạng thái lỏng là trạng thái trung gian giữa trạng thái khí và trạng thái rắn.
Thực nghiệm cho thấy: tùy theo nhiệt độ (T) của khối chất mà chất lỏng có tính chất gần chất khí hoặc gần chất rắn.
Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn lực tương tác phân tử (a) và thế năng tương tác (b)
Qui ước : :lực đẩy : lực hút.
: là hợp lực tổng cộng lên phân tử.
Nhận xét : lúc r < r0 : lực đẩy chiếm ưu thế Lúc r > r0 : lực hút chiếm ưu thế. Với .
Nhận xét về thế năng :
• Lúc r = r0 thì thế năng cực tiểu, đối với vật rắn năng lượng chuyển động nhiệt bé hơn nhiều so với , vì vậy phân tử nằm ở vị trí cân bằng bền, chuyển động nhiệt chỉ làm các phân tử dao động quanh các vị trí đó.
• Với chất lỏng, năng lượng chuyển động nhiệt vào cở , có thể lớn hơn vượt qua hố thế năng và vì vậy các phân tử vừa dao động quanh vị trí cân bằng lại vừa có thể dịch chuyển trong cả khối chất lỏng.
• Đối với chất khí, năng lượng chuyển động nhiệt lớn hơn , vượt qua hố thế năng vì vậy các phân tử khí có thể dịch chuyển tự do trong cả khối khí.
• Theo trên ta thấy các phân tử chất lỏng, dao động quanh VTCB đồng thời có thể dịch chuyển trong cả khối chất lỏng.
Phân tử chất lỏng thực hiện một cuộc sống “du mục”. Sau 1 thời gian định cư ở 1 VTCB nó lại chuyển đi nơi khác.
Hình 3.5.chuyển động của phân tử chất lỏng
3.2.2.Hiện tượng căng mặt ngoài của chất lỏng 3.2.2.1.Áp suất phân tử
Vì lực hút phân tử giảm nhanh theo khoảng cách cách nhau một khoảng nhỏ hơn 2r vào cở 10-9 m mới tác dụng lên nhau. Lấy phân tử làm tâm vẽ lên một hình cầu bán kính r thì phân tử tại tâm chỉ tương tác với các phân tử nằm trong hình cầu. Hình cầu này gọi là hình cầu tác dụng.
Hình 3.6. mặt cầu tác dụng của phân tử
Đối với phân tử A nằm sâu trong chất lỏng, lực tác dụng lên phân tử này mọi phía bù trừ nhau. Đối với các phân tử nằm ở lớp mặt ngoài ( bề dày < 10-9 m), hình cầu tác dụng không nằm hoàn toàn trong chất lỏng và phân tử chịu tác dụng một lực tổng hợp hướng vào trong lòng chất lỏng (phân tử B). Đối với phân tử (C) nằm trên ranh giới giữa 3 môi trường Rắn – lỏng – khí, các phân tử tác dụng lên C nằm trong ¼ hình cầu tác dụng, lực tổng hợp tác dụng lên C củng hướng vào lòng chất lỏng.
Tóm lại, lực tác dụng lên các phân tử ở lớp mặt ngoài chất lỏng ép lên các phân tử chất lỏng ở phía trong và gây nên một áp suất gọi là áp suất phân tử, nó chính là nội áp suất Pi trong phương trình Vanđecvan.
3.2.2.2.Năng lượng mặt ngoài, sức căng mặt ngoài của chất lỏng
Các phân tử lớp mặt ngoài có thế năng lớn hơn so với thế năng của các phân tử ở phía trong. Số phân tử ở 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. Ta có:
Trong đó : là hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào bản chất của chất lỏng còn gọi là sức căng mặt ngoài (J/m2 )
sức căng mặt ngoài :
Các thí nghiệm cho thấy diện tích mặt ngoài của chất lỏng có khuynh hướng tự co lại, vì vậy về phương diện nào đấy, mặt ngoài chất lỏng giống như một màng cao su bị căng. Để giữ nguyên hình dạng mặt ngoài của chất lỏng, ta phải tác dụng lên chu vi mặt ngoài các lực vuông góc với đường chu vi và tiếp tuyến với mặt ngoài. Lực đó gọi là sức căng mạt ngoài (hình 3.7)
Hình 3.7.Sức căng mặt ngoài
là chu vi đường tác dụng mặt ngoài.
3.2.3.Hiện tượng dính ướt và không dính ướt
Đựng chất lỏng trong một bình rắn, chỗ tiếp giáp giữa chất lỏng và thành bình bị cong lên hoặc cong xuống có dạng khum mà không thẳng góc với thành bình.
-Nếu chất lỏng làm ướt bình ta có mặt khum lõm. -Nếu chất lỏng không làm ướt bình ta có mặt khum lồi.
Hình 3.8.Hiện tượng dính ướt và không dính ướt
Một phân tử chất lỏng ở chổ tiếp giáp với thành bình chịu tác dụng của lực hút phân tử (lực hút của các phân tử chất lỏng), đồng thời nó chịu lực hút của các phân tử rắn của thành bình .
Lực tổng hợp tác dụng lên phân tử: (ở đây ta bỏ qua lực hút của các phân tử khí trên mặt thoáng, vì lực này bé so với lực F1, F2 )
Nếu F1 > F2 :lực tổng hợp F hướng về khối chất lỏng làm phân tử tại chỗ tiếp giáp dịch theo thành bình xuống phía dưới, tạo nên mặt khum có dạng lồi, ta có hiện tượng không làm ướt. Ngược lại:
Nếu F1 < F2: lực tổng hợp F hướng về phía thành bình làm phân tử lỏng ở đó dịch lên phía trên cho đến khi F vuông góc mặt thoáng ta có hiện tượng làm ướt.