Bài tập Vật lí ứng dụng

Mức độ vận động của các vật thuộc một hệ nào đó có thể khác nhau tùy thuộc sự chuyển động nhanh hay chậm và sự tương tác mạnh hay yếu của vật thể trong hệ.. Rõ ràng, khi hệ vật chất thực

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM HUẾ

DỰ ÁN HỢP TÁC VIỆT NAM – HÀ LAN

BÀI GIẢNG VẬT LÝ ỨNG DỤNG

Người biên soạn: Trần Ngọc Truồi

Huế, 08/2009

MỤC LỤC



Bài 1 ĐỘNG HỌC 3

1.1 Chuyển động cơ học, véctơ tọa độ 3

1.2 Véctơ vận tốc 5

1.3 Véc tơ gia tốc 7

1.4 Thí dụ về các dạng chuyển động cơ bản 10

Bài 2 NGUYÊN LÝ BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG VÀ MOMENT ĐỘNG LƯỢNG 12

2.1 Nguyên lý quán tính 12

2.2 Nguyên lý bảo toàn động lượng 12

2.3 Các dạng tương tác cơ bản 15

2.4 Nguyên lý bảo toàn moment động lượng .18

Bài 3 NGUYÊN LÝ BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG 21

3.1 Nguyên lý bảo toàn năng lượng 21

3.2 Động năng 23

3.3 Thế năng 241

3.4 Cơ năng 25

Bài 4 NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

25 4.1 Một số khái niệm của nhiệt động lực học 28

4.2 Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học 31

4.3 Ứng dụng của nguyên lý thứ nhất 329

4.4 Nguyên lý thứ hai nhiệt động học 341

Bài 5 CHẤT LỎNG 38

5.1 Tính chất và cấu tạo của chất lỏng 38

5.2 Các hiện tượng mặt ngoài của chất lỏng 39

5.3 Hiện tượng dính ướt và không dính ướt 41

5.4 Hiện tượng mao dẫn 42

Bài 6: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ 45

6.1 Trường tĩnh điện 45

6.2 Từ trường của dòng điện không đổi 53

6.3 Các định luật Mắc – Xoen, sóng điện từ 66

Bài 7: TÍNH CHẤT SÓNG CỦA ÁNH SÁNG 70

7.1 Quá trình sóng, phương trình sóng, mặt sóng 70

7.2 Sự giao thoa của sóng 72

7.3 Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng 74

7.4 Hiện tượng phân cực ánh sáng 75

Bài 8 LÝ THUYẾT LƯỢNG TỬ 78

8.1 Sự bức xạ và hấp thụ nhiệt, vật đen tuyệt đối, định luật Kiếc – khốp 78

8.2 Các định luật phát xạ của vật đen tuyệt đối 80

8.3 Thuyết lượng tử năng lượng của Planck, thuyết lượng tử ánh sáng của Anhstanh (Einstein) 81

8.4 Hiện tượng quang điện, các định luật quang điện 82

Bài 1 . ĐỘNG H ỌC

1.1 Chuyển động cơ học, véctơ tọa độ

1.1.1 Định nghĩa chuyển động cơ

Định nghĩa: Chuyển động cơ học của vật thể là sự thay đổi vị trí của vật thể trong không gian cùng với sự biến đổi của thời gian

Chất điểm là một vật thể có kích thước rất nhỏ không đáng kể so với những khoảng cách và những kích thước mà ta xét

Ví dụ: Quả đất chuyển động quanh Mặt Trời có thể được coi là một chất điểm, nhưng nếu xét quả đất quay quanh trục riêng của nó thì quả đất lại không thể coi như chất điểm Như vậy, khái niệm chất điểm có tính chất tương đối

Một tập hợp chất điểm được gọi là hệ chất điểm

Ví dụ: Vật rắn là một hệ chất điểm cách nhau những khoảng không đổi

1.1.2 Hệ quy chiếu Véctơ tọa độ

Hệ quy chiếu: Để nghiên cứu sự chuyển động của chất điểm trong không gian,

ta phải đối chiếu vị trí của chất điểm tại từng thời điểm với vị trí của các điểm đứng yên, gọi là điểm mốc

Tập hợp các điểm mốc trong không gian tạo thành hệ qui chiếu

Véctơ tọa độ: Trong hệ qui chiếu đã chọn ta lấy một điểm mốc làm gốc Một véctơ

có gốc đặt điểm gốc, có ngọn đặt tại chất điểm ta nghiên cứu, được gọi là véctơ tọa độ

Do tọa độ của chất điểm thay đổi cùng với thời gian nên véctơ tọa độ phụ thuộc vào thời gian: r    r(t)

Biết được quy luật biến đổi của véctơ tọa độ r (t) 

, ta xác định đường dịch chuyển của chất điểm trong hệ quy chiếu và gọi là quỹ đạo chuyển động của chất điểm

2 o

có nghĩa là xác định tọa độ của chất điểm trong hệ quy chiếu, được gọi là hệ tọa độ

Ta sẽ xét một số hệ tọa độ thường dùng dưới đây

a) Hệ tọa độ Đềcác

 Hệ trục tọa độ Đềcác gồm điểm gốc O và 3 trục Ox, Oy, Oz vuông góc với nhau từng đôi một có định hướng

 Véctơ tọa độ r 

được xác định bởi hệ tọa độ (x,y,z) là các thành phần của r 

trên 3 trục nói trên

    i, j, k

là các véctơ đơn vị trên 3 trục Ox, Oy, Oz

Ta có biểu thức véctơ cho r 

Trong hệ tọa độ cầu véctơ r 

được xác định bởi hệ tọa độ gồm độ lớn r của véctơ

r



và hai góc  và 

c) Hệ tọa độ cong

Trong hệ tọa độ cong vị trí của chất điểm được xác định

bởi khoảng cách S trên quỹ đạo cong từ vị trí của chất điểm

M ở thời điểm t đến một vị trí Mo được chọn làm mốc

d) Hệ tọa độ góc

Trường hợp chất điểm chuyển động trên một quỹ đạo tròn, vị

trí của chất điểm trên quỹ đạo được xác định bởi góc  hợp bởi

véctơ tọa độ r(t) 

và véctơ tọa độ ro

được chọn làm mốc

Nếu R: bán kính của quỹ đạo tròn, tọa độ góc  và tọa độ

cong S liên hệ với nhau bởi hệ thức:

SR.

(2)

o

Ở thời điểm t1, chất điểm ở vị trí M1

Ở thời điểm t2, chất điểm ở vị trí M2

Tính trung bình trong khoảng thời gian  t t2t1, véctơ tọa độ đã biến đổi một lượng biểu diễn bằng véctơ  r 

   r r2r1

Vận tốc trung bình của chất điểm trong một khoảng thời gian bằng:

1 2

1 2

tt

rrt

rv

Xét hệ tọa độ Đềcác cố định, các véc tơ đơn vị    i , j, k

không biến đổi theo thời gian:

dt dt dt có ý nghĩa là độ biến đổi tọa độ của chất điểm trong đơn

vị thời gian dọc theo các trục tọa độ, là các thành phần của véc tơ vận tốc trên các trục trong hệ tọa độ Đềcác

Trong hệ tọa độ cong, khi  t 0 véc tơ  r 

có phương tiến dần đến phương của tiếp tuyến với quỹ đạo tại vị trí M1 của chất điểm, có chiều cùng với chiều chuyển động và độ lớn  r M M1 2 tiến gần với cung M M1 2 s

Kết luận: Do vậy véc tơ vận tốc tức thời v

theo hệ thức (5)  Có phương trùng với tiếp tuyến với quỹ đạo tại vị trí của chất điểm

 Có chiều cùng chiều chuyển động

dt có ý nghĩa là độ biến đổi tọa độ của chất điểm trong đơn

vị thời gian dọc theo quỹ đạo cong

Gọi m 

: véc tơ đơn vị tiếp tuyến

Véc tơ vận tốc trong hệ tọa độ cong sẽ bằng:

Trong hệ tọa độ góc; vận tốc góc  được định nghĩa bằng độ biến đổi tọa độ góc

 trong đơn vị thời gian:

Số chu kỳ trong một đơn vị thời gian gọi là tần số n 1

a) Véc tơ gia tốc trung bình

 Tại thời điểm t1 chất điểm ở tại vị trí xác định bởi r1

b) Véc tơ gia tốc tức thời

Khi  t 0, độ biến đổi v

sẽ tiến tới một giới hạn

Độ biến đổi tức thời của véc tơ vận tốc trong một đơn vị thời gian được gọi là véc tơ gia tốc tức thời của chất điểm trong chuyển động

k dt

dv j dt

dv i dt

dv dt

v d a dt

v d a

k v j v i v v

z y

x

z y x

Các đạo hàm dvx,dvy ,dvz

dt dt dt có ý nghĩa là độ biến đổi vận tốc của chất điểm trong đơn vị thời gian dọc theo các trục tọa độ, là các thành phần của véc tơ gia tốc trên các trục trong hệ tọa độ Đềcác

Do véc tơ đơn vị tiếp tuyến m 

luôn thay đổi về phương trong chuyển động của chất điểm trên tọa độ cong, nên ta có:

Ta hãy tính thành phần thứ hai trong vế phải của biểu thức trên

Theo ý nghĩa của đạo hàm:

tiến dần tới một giới hạn sau đây:

 Về phương vuông góc với m1

, nghĩa là vuông góc với tiếp tuyến với quỹ đạo tại vị trí của chất điểm

 Về chiều, hướng về phía lõm của quỹ đạo

 Về độ lớn được tính theo sự đồng dạng của hai tam giác M , m , m1  1 2

và

CM M1 2

Trong đó C là tâm của vòng tròn có một phần trùng với cung M M1 2, có  là bán kính cong

Thành phần gia tốc thứ nhất gọi là gia tốc tiếp tuyến at

độ lớn của vận tốc trong đơn vị thời gian, giữ nguyên phương của chuyển động ) Gia tốc pháp tuyến:

Thành phần gia tốc thứ hai gọi là gia tốc pháp tuyến an



 an



có phương, chiều được biểu diễn bằng véc tơ đơn vị pháp tuyến n 

, vuông góc với véc tơ vận tốc và hướng vào tâm quĩ đạo

 Độ lớn của gia tốc tiếp tuyến an liên hệ với độ lớn của vận tốc và bán kính cong của quỹ đạo theo hệ thức:

2 n

vd

Tọa độ góc của chất điểm trên đường tròn là   .t

Tọa độ của hình chiếu của chất điểm trên trục Ox bằng:

xR.cos R cos t



x

Trong chuyển động này, tọa độ x biến đổi một cách tuần hoàn quanh gốc O với

x0 được gọi là chuyển động dao động điều hòa

* Chu kỳ của dao động điều hòa là chu kỳ T của chuyển động tròn: T  2

Vậy trong chuyển động dao động điều hòa, vận tốc cũng biến đổi một cách tuần hoàn theo thời gian với cùng chu kỳ T và lệch pha so với tọa độ x một góc bằng

Bài 2 NGUYÊN LÝ BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG VÀ MOMENT

= const) + Chất điểm đứng yên có véc tơ vận tốc v

bằng không

+ Chất điểm chuyển động thẳng đều có véc tơ v

không đổi

+ Cả hai trường hợp đó véc tơ vận tốc v

đều không đổi Ta nói trạng thái chuyển động của nó được bảo toàn Vậy một chất điểm cô lập bảo toàn trạng thái chuyển động của nó

Tính chất bảo toàn trạng thái chuyển động gọi là quán tính của vật

* Ví dụ: Một người đứng trên toa tàu chuyển động thẳng đều Khi đó người

cũng có vận tốc v

= const Bỗng nhiên tàu đột ngột dừng lại Do quán tính, người vẫn tiếp tục chuyển động do chân bị giữ trên sàn tàu (ma sát) nên người bị ngã về phía trước

Tương tự hiện tượng tàu giật Tàu đứng yên bỗng chuyển động Những người đứng trên tàu sẽ bị ngã về phía sau

2.2 Nguyên lý bảo toàn động lượng

2.2.1 Sự tương tác giữa các vật thể

Thực nghiệm chứng tỏ rằng không bao giờ có tác dụng một phía Khi vật A tác dụng lên vật B thì ngược lại vật B cũng tác dụng lên vật A Ta nói chúng tương tác với nhau

Định luật xét mối liên hệ giữa các tương tác của hai vật (định luật 3 Newton) khi chất điểm A tác dụng lên chất điểm B một lực F

thì chất điểm B cũng tác dụng lên chất điểm A một lực F

' cùng phương, ngược chiều với lực F

Khi đó xét từng đôi chất điểm của hệ thì tổng hai lực tương tác giữ chúng bằng không: bây giờ lấy tổng của tất cả các lực đó ta được kết quả:

Tổng hợp các nội lực của một hệ chất điểm cô lập (còn gọi là hệ kín) bằng không

có cùng phương, chiều với vectơ vận tốc v

của chất điểm

b) Ý nghĩa của động lượng

+ Động lượng là đại lượng đặc trưng cho chuyển động về mặt động lực học Thật vậy, vận tốc là đại lượng đặc trưng cho chuyển động về mặt động học Nếu vật chịu cùng một lực tác dụng, thì vật có khối lượng khác nhau sẽ có vận tốc khác nhau Như vậy vận tốc không đặc trưng cho chuyển động về mặt động lực học Còn động lực K   mv

phụ thuộc cả khối lượng và vận tốc nên chính K

là đại lượng đặc trưng cho chuyển động về mặt động lực học

Cụ thể ta nêu thí dụ minh họa: Ta xét sự va chạm giữa hai quả cầu: Giả sử quả cầu thứ nhất có khối lượng m1 chuyển động vận tốc v1 đến va chạm quả cầu thứ hai đang đứng yên và có khối lượng m2 Sau khi va chạm, quả cầu thứ hai chuyển động vận tốc v2 Thực nghiệm chứng tỏ rằng v

2  v

1; v

2 phụ thuộc vào v

1 và cả khối lượng m1 Nghĩa là v

2 phụ thuộc K

1=m1v

1 Điều đó chứng tỏ động lượng đặc trưng cho khả năng truyền chuyển động của vật

2.2.3 Nguyên lý bảo toàn động lượng

Trước hết ta xét một hệ chất điểm cô lập

a Hệ cô lập: là hệ chất điểm nếu các chất điểm trong hệ chỉ tương tác với nhau,

mà không tương tác với bên ngoài

Trong thực tế không có hệ cô lập, nhưng nếu ta bỏ qua sự tương tác của hệ với bên ngoài, khi đó ta có thể coi hệ là cô lập Thí dụ: bỏ qua tương tác giữa thuyền và nước thì ta coi thuyền, người và đồ vật là hệ cô lập Bỏ qua tương tác giữa súng và quả đất ta có thể coi (súng và đạn) là hệ cô lập

b Nguyên lý bảo toàn: Xét hệ cô lập gồm 2 chất điểm M1 và M2 có khối lượng m1,

m2

Theo định luật 3 ta có: F

1 + F

2 = 0 Gọi động lượng của M1 và M2 lần lượt là K

=

n i

c Sự bảo toàn động lượng theo một phương

Định luật bảo toàn động lượng có thể áp dụng cho hệ có chịu tác dụng của ngoại lực, nhưng tổng hợp ngoại lực bằng không

đó bằng không, thì thành phần động lượng của hệ chiếu lên phương đó được bảo toàn

d Ý nghĩa thực tiễn: Nguyên lý bảo toàn động lượng cho thấy chuyển động của

hệ cô lập được bảo toàn Nó có tác dụng quan trọng là ứng dụng rộng rãi trong việc giải quyết những bài toán về truyền chuyển động bằng phản lực

Ta vận dụng định luật này giải thích một vài hiện tượng cụ thể:

- Hiện tượng súng giật khi bắn

- Chuyển động phản lực của tên lửa

2.2.4 Khái niệm về lực

Thực nghiệm chứng tỏ rằng khi một chất điểm chịu một tác dụng bên ngoài thì trạng thái chuyển động của chất điểm thay đổi Tác dụng bên ngoài lên chất điểm được đặc trưng bởi đại lượng vật lý gọi là lực

Vậy: Lực đặc trưng cho tương tác giữa các vật và là nguyên nhân gây ra sự thay đổi trạng thái chuyển động của các vật

Đại lượng đặc trưng cho sự thay đổi trạng thái chuyển động là vectơ gia tốc a

Do đó có thể nói: lực là nguyên nhân gây ra gia tốc của chuyển động

Thực nghiệm chứng tỏ: nếu chất điểm chịu tác dụng của một lực F

và chuyển động với gia tốc a

3 2

FF

i 1

F





Chú ý: Lực tác dụng lên một vật có thể làm cho vật đó biến dạng làm căng lò

xo, làm bẹp các hộp Tác dụng làm biến dạng là tác dụng của lực, còn tác dụng gây ra gia tốc là tác dụng động của lực

2.3 Các dạng tương tác cơ bản

2.3 1 Các dạng tương tác cơ bản

Trong vật lý hiện đại người ta phân biệt 4 dạng tương tác:

* Tương tác hấp dẫn là tương tác gây bởi sự hấp dẫn vạn vật

* Tương tác điện từ được thực hiện thông qua các điện trường và từ trường

* Tương tác mạnh hoặc tương tác hạt nhân: tương tác này nhằm bảo đảm cho

sự liên kết của các hạt trong hạt nhân nguyên tử

* Tương tác yếu: là tương tác thực hiện trong nhiều quá trình phân rã các hạt cơ bản

Trong cơ học, người ta phân biệt 3 loại lực:

- Lực hấp dẫn giữa các vật (Lực hút tương hỗ giữa các vật tác dụng từ xa)

Ví dụ: Lực hút của trái đất đối với các vật

- Các lực xuất hiện do sự tương tác giữa các vật tiếp xúc trực tiếp tác dụng lên nhau khi chuyển động tương đối với nhau hoặc liên kết với nhau

Ví dụ: Lực ma sát, phản lực, lực căng của dây

1 và F

2

- Có phương là đường thẳng nối hai chất điểm đó

- Có trị số tỷ lệ thuận với khối lượng m1, m2 và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách r giữa chúng

F1 = F2 = G 1 2

2

m m r

Hệ số tỷ lệ G: Hằng số hấp dẫn vũ trụ Trong hệ S.I: G =

6, 67.10-11N.m2/kg2

Từ biểu thức ta thấy, nếu các vật có khối lượng m1, m2

càng lớn thì lực hấp dẫn F1, F2 càng lớn Vậy ta có thể định

nghĩa khối lượng hấp dẫn của vật là đại lượng vật lý đặc trưng

cho khả năng hấp dẫn của vật ấy

- Sự tương tác giữa các vật chỉ có thể thực hiện thông qua

trường vật chất trung gian, người ta gọi trường này là trường

+ Chú ý: Gia tốc trọng trường phụ thuộc vào độ cao

Đối với vật gần quả đất (h << R) -> R + h = R

là lực ma sát khô

Thực nghiệm cho biết lực ma sát khô có những tính chất sau:

- Luôn luôn cùng phương nhưng ngược chiều chuyển động

- Nếu vật trượt với vận tốc v không lớn lắm thì trị số lực ma sát khô tỷ lệ với phản lực N Fms = k.N

k: hệ số ma sát, nó phụ thuộc vào bản chất và tính chất của 2 mặt tiếp xúc

- Luôn luôn cùng phương nhưng ngược chiều với chuyển động

- Có độ lớn tỷ lệ với vận tốc của chuyển động

Fms = r.v r: hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào bản chất của vật và môi trường tiếp xúc, được gọi là

hệ số ma sát môi trường

c Lực hướng tâm và lực ly tâm

Xét chất điểm có khối lượng m, chịu tác dụng của lực F

Theo định luật 3 thì đồng thời chất điểm cùng tác dụng lên sợi dây một lực ngược chiều với F

n và cùng trị số bằng Fn Lực đó gọi là lực ly tâm:

Flt = m

2

vR

d Lực căng của dây

Để định nghĩa lực căng ta xét một trường hợp đơn giản Giả sử có một sợi dây, một đầu buộc tại điểm O, còn đầu kia (đầu M) chịu lực tác dụng F

, dây sẽ căng theo phương của lực F

Vật M có một trạng thái động lực nào đó (đứng yên hay chuyển động với gia tốc xác định)

Giả sử cắt dây tại điểm A Muốn cho hai nhánh MA và OA của dây vẫn giữ nguyên trạng thái động lực cũ thì trên nhánh OA và MA ta phải tác dụng những lực

F

và T

Những lực này theo định nghĩa là lực căng của dây tại điểm A

Muốn đoạn dây OA căng như cũ thì T

phải bằng F

và muốn đoạn dây MA căng như cũ thì T' phải cân bằng với

lực F

Từ đó: T

= - T

' Vậy tại mỗi điểm của dây, các lực căng trực đối với

 là momen quán tính c ủa vật rắn

Tổng hợp momen các ngoại lực tác dụng lên vật rắn bằng đạo hàm của momen động lượng theo thời gian

Thí dụ: Tính momen quán tính I của thanh đồng chất chiều dài l, khối lượng m

đối với trục  đi qua trung điểm G của thanh và vuông góc với thanh

Ta xét một phân tử của thanh khối lượng dm, chiều dài dx cách G một đoạn x Momen quán tính của dm đối trục  là: dI = x2.dm

Vì thanh là đồng chất nên khối lượng của các đoạn trên thanh tỷ lệ với chiều dài của các đoạn đó:

2.4 3 Nguyên lý bảo toàn momen động lượng

a Định luật: Trong trường hợp nếu momen tổng hợp các ngoại lực tác dụng lên vật

Nghĩa là với một vật rắn quay bất kỳ, chỉ cần momen lực M = 0 thì momen động lượng không thay đổi theo thời gian

Vậy, nếu momen tổng hợp các ngoại lực tác dụng lên một vật rắn xung quanh một trục triệt tiêu thì momen động lượng của vật rắn được bảo toàn

Định luật bảo toàn động lượng đúng cho cả trường hợp chất điểm bất kỳ chuyển động quanh 1 trục

Bài 3 NGUYÊN LÝ BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG

3.1 Nguyên lý bảo toàn năng lượng

3.1 1 Năng lượng

Mọi vật thể trong tự nhiên luôn luôn vận động Ta hiểu khái niệm vận động theo nghĩa rộng bao hàm sự chuyển động và sự tương tác giữa các vật thể trong một hệ Mức độ vận động của các vật thuộc một hệ nào đó có thể khác nhau tùy thuộc sự chuyển động nhanh hay chậm và sự tương tác mạnh hay yếu của vật thể trong hệ

Ta gọi số đo mức độ vận động của các vật thể trong một hệ là năng lượng của

hệ Một hệ vật chất có năng lượng thì nó sẽ có khả năng sinh công

Trong tự nhiên có nhiều dạng vận động của vật chất Với mỗi dạng vận động của vật chất thì có một dạng năng lượng tương ứng với dạng vận động đó Chẳng hạn, chuyển động cơ học của vật có dạng năng lượng tương ứng gọi là năng lượng

cơ học, thường gọi tắc là cơ năng; chuyển động nhiệt có dạng năng lượng tương ứng là nhiệt năng

Một định nghĩa tổng quát về năng lượng như vậy có thể là trừu tượng, vì khó có thể xác định được mức độ vận động tuyệt đối của các vật thể thuộc hệ

Song trong đời sống hàng ngày ta thường gặp các vấn đề có liên quan đến độ biến đổi của mức độ vận động của hệ Khi đó khái niệm độ biến đổi năng lượng có

ý nghĩa cụ thể hơn

Thực nghiệm chứng tỏ độ biến thiên năng lượng của hệ bằng công mà hệ trao đổi với bên ngoài W1 - W2 = A

3.1 2 Nguyên lý bảo toàn năng lượng

Đó là một nguyên lý cơ bản mà mọi quá trình xảy ra trong tự nhiên đều phải tuân theo Năng lượng không tự sinh ra và cũng không tự mất đi Nó chỉ có thể biến đổi từ dạng vận động này sang dạng vận động khác hoặc chuyển từ hệ này sang hệ khác

- Năng lượng của một hệ cô lập là không đổi

Ví dụ: Một hệ vật chất có năng lượng thì nó sẽ có khả năng sinh công Lấy một

số thí dụ minh họa

Một viên đ ạn đang bay (vận động cơ học) sẽ có năng lượng Nó có khả năng sinh công thắng công cản của sắt thép khi xuyên sắt thép Nó có khả năng sinh công làm biến dạng các vật khác khi nó rơi và đập vào các vật đó

Hơi nước ở áp suất và nhiệt độ cao (vận động nhiệt) của pittông đầu máy xe lửa

có năng lương Khi giãn khí đẩy pittông, nó sinh công để kéo các toa xe

Rõ ràng, khi hệ vật chất thực hiện công thì năng lượng của hệ biến thiên (mức

độ vận động của vật chất thay đổi)

- Độ biến thiên năng lượng của hệ bằng công mà hệ trao đổi với bên ngoài

Ví dụ: Một hòn bi lăn trên mặt đất, lực ma sát làm vận tốc hòn bi thay đổi, đồng thời hòn bi sinh công để thắng lực ma sát và tiếp tục chuyển động cho đến khi dừng lại

3.1 3 Công

Khi hai hệ tương tác với nhau, chúng trao đổi năng lượng với nhau

Nếu kết quả của sự tương tác dẫn sự thay đổi trạng thái chuyển động cơ của ít nhất một hệ thì số đo phần năng lượng trao đổi giữa hai hệ được gọi là công do lực tương tác thực hiện

Giả sử trước khi tương tác năng lượng của hệ thứ nhất là E1, của hệ thứ hai là E2, sau khi tương tác năng lượng của chúng có giá trị bằng E'1 và E'2

Giả sử : E'1 > E'2

Theo nguyên lý bảo toàn năng lượng, ta có:

E'1 + E'2 = E1 + E2 E'1 - E1 = -(E'2- E2)

E1 = - E2 (1) Theo định nghĩa của công và với quy ước năng lượng

của hệ tăng khi nhận một công dương

- Năng lượng của hệ giảm khi sinh ra một công dương hay nhận một công âm, ta có:

+ Với A>0; E1 >0 và E2<0: hệ (1) nhận công và hệ (2) sinh công

+ Với A<0; E1 <0 và E2>0: hệ (1) sinh công và hệ (2) nhận công

Vậy công là một đại lượng đại số và chỉ xuất hiện trong quá trình tương tác giữa các hệ

3.1 4 Công thức tính công

Ta đã biết sự tương tác giữa hai vật thể được đặc trưng bằng lực tương tác F

Chú ý: Lực sinh công khi điểm đặt của lực chuyển dời

chuyển của chất điểm

- Đơn vị của công và năng lượng trong hệ S.I

[E] = [A] = [F].[s] = N.m

Đơn vị 1.N.m được gọi là Joule (viết tắt là J)

3.2 Động năng

3.2 1 Động năng

Trong quá trình tương tác lựcF

thực hiện công làm cho chất điểm thay đổi trạng thái chuyển động và có vận tốc biến đổi từ v

1 đến v

2 Động năng của một vật là phần cơ năng ứng với chuyển dời của vật đó

2

v S v

1

1

v 2 v

v

v

mvm.v.dv

Eđ = 1 2

m.v

3.3 2 Công của lực thế - thế năng

Ta hãy tính công của lực hấp dẫn giữa quả đất và chất điểm có khối lượng m Lấy một điểm trên mặt đất làm gốc tọa độ O, trục Oz thẳng đứng, có chiều dương hướng lên trên

Để đơn giản phép tính, ta giả sử chất điểm di chuyển dọc theo trục Oz từ độ cao

Ta có thể kết luận chất điểm ở một độ cao z trong trường lực có năng lượng phụ thuộc vào z

Độ giảm thế năng của chất điểm trong một chuyển dời nào đó bằng công của lực trọng trường tác dụng lên chất điểm trong chuyển dời đó

Vậy, công của lực thế năng bằng độ giảm thế năng

3.3 4 Những đặc điểm của lực thế: Từ thí dụ trên ta có thể rút ra một số đặc

điểm của lực thế trong trường hợp tổng quát

b) Công của lực thế: Công của lực thế không phụ thuộc quãng đường chất điểm

di chuyển, mà chỉ phụ thuộc vị trí đầu và vị trí cuối của đoạn đường đó:

Từ hệ thức trên ta có: Eđ + Et = 0

Tổng năng lượng gồm động năng và thế năng của một chất điểm chuyển động trong trường lực có thế gọi là cơ năng EC

3.4 2 Định luật bảo toàn cơ năng

Hệ thức (11) cho thấy cơ năng của chất điểm chịu tác dụng của lực thế được bảo toàn

EC = Eđ + Et = const (13) Thí dụ: chất điểm trong trường trọng lực có cơ năng EC bằng:

2 C

1

2

3.5 Ví dụ: Bảo toàn cơ năng trong chuyển động dao động điều hòa

Một quả cầu nhỏ có khối lượng m gắn vào đầu một lò xo và có thể chuyển động

tự do dọc theo phương x Đầu kia của lò xo cố định Khi quả cầu lệch khỏi vị trí cân bằng O một khoảng x, nó sẽ chịu một lực đàn hồi của lò xo tác dụng là F = - k.x Tính năng lượng của quả cầu ở thời điểm t và nghiệm lại quy luật bảo toàn năng lượng

d xdt

Phương trình chuyển động của quả cầu có dạng:

2 2

x

dt m = 0 Đặt 2 k

m

  ta có:

2 2 2

Vậy dưới tác dụng của lực đàn hồi, quả cầu

chuyển động dao động điều hòa

Ta có thể nhận biết được kết quả này từ biểu thức của gia tốc: ax k.x

Động năng của quả cầu ở thời điểm t:

Bài 4 NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC

Nhiệt động lực học là phần vật lý dựa trên các quá trình trao đổi và biến hóa năng lượng để nghiên cứu các hiện tượng nhiệt Cơ sở của nhiệt động lực học là 2 nguyên lý nhiệt động rút ra từ thực nghiệm

Trước đi vào nội dung của nguyên lý, ta xét một số khái niệm cơ bản

4.1 Một số khái niệm của nhiệt động lực học

4.1.1 Hệ nhiệt động

Hệ nhiệt động là một tập hợp các vật thể giới hạn trong một khoảng không gian nhất định

Thí dụ: Hệ các phân tử khí giới hạn trong bình chứa

Hệ các thiết bị trong tủ lạnh, giới hạn bởi vỏ tủ lạnh

Hệ nhiệt động là cô lập khi hệ không trao đổi năng lượng và chất với các vật thể bên ngoài giới hạn

4.1.2 Năng lượng

Một cách tổng quát năng lượng của hệ là đại lượng đăc trưng cho số đo mức độ vận động của vật thể Năng lượng của hệ gồm động năng ứng với chuyển động có hướng của hệ toàn bộ, thế năng của hệ trong trường lực và nội năng của hệ

dU

4.1.3 Công

Để hiểu khái niệm công ta xét thí dụ cụ thể:

Xét hệ là một khối khí đựng trong một xi lanh có pít tông Cho khí giản nở (toàn

bộ khối khí chuyển động có hướng) nó sẽ sinh công cho bên ngoài, do đó năng lượng của hệ sẽ giảm Công sinh ra càng lớn thì năng lượng của hệ giảm càng nhiều Vậy công là một đại lượng đặc trưng cho mức độ trao đổi năng lượng thông qua chuyển động có hướng của hệ toàn bộ

Lập công thức tính công trong quá trình tương tác giữa 2 hệ nhiệt động

Giả sử hệ khí chứa trong một xi lanh với pittông có diện tích S Áp suất P của hệ khí lên pittông tạo ra một áp lực F = P.S lên nó Để cân bằng hệ bên ngoài tác dụng lên pit tông một lực:

Công này được biểu diễn bằng diện

tích của hình thang cong V1ABV2

Giá trị của công A dương hay âm là

tùy thuộc vào chiều diễn biến của quá

Nếu cung cấp cho hệ một nhiệt lượng (bằng cách hơ nóng hệ) nhưng giữ cho thể

tích của hệ không đổi thì nhiệt độ của hệ sẽ tăng lên, chuyển động hỗn loạn của các

phân tử sẽ mạnh lên Năng lượng (ở đây nội năng) của hệ tăng Nhiệt hệ nhận càng

lớn thì năng lượng của hệ tăng càng nhiều Vậy nhiệt lượng cũng là một đại lượng

đặc trưng cho mức độ trao đổi năng lượng thông qua chuyển động hỗn loạn của các

phân tử

Ta hãy lập công thức tính nhiệt lượng Q trao đổi giữa 2 hệ Ta đã biết năng lượng

của hệ khí lý tưởng là tổng động năng của các phân tử trong hệ Do vậy phần năng

lượng trao đổi dq với hệ khác phải tỷ lệ với số phân tử có trong hệ nghĩa là với khối

lượng m của hệ và tỷ lệ với độ biến đổi động năng trung bình của mỗi phân tử, nghĩa là

với độ biến đổi nhiệt độ dT của hệ Vậy nhiệt lượng trao đổi biến đổi một lượng dT sẽ

Thông thường người ta cho biết nhiệt dung phân tử CA Nhiệt dung phân tử là

nhiệt lượng cần thiết để tăng nhiệt độ của một mol khí lên 1oK

Nếu khối lượng của một mol khí là  ta sẽ có:

4.1.5 Sự liên quan giữa nhiệt lượng và công

Theo ý nghĩa của nhiệt lượng và công chúng tương đương với nhau, chúng đều

là số đo phần năng lượng được trao đổi giữa các hệ nhiệt động trong quá trình tương tác Do vậy chúng đều là các hàm số phụ thuộc vào quá trình tương tác

Trong quá trình phát triển môn Vật lý, chúng được đo bằng các đơn vị khác nhau

Công được đo bằng đơn vị năng lượng là Jun, nhiệt lượng được đo bằng đơn vị

là calo Giữa Jun và Calo có hệ số biến đổi:

1 calo = 4,18 Jun hoặc 1 Jun = 0,24 calo

Sự khác biệt giữa nhiệt lượng và công là sự khác biệt giữa kết quả của sự tương tác

4.1.6 Nội năng của khí lý tưởng

4.1.6.1 Động năng trung bình của phân tử khí ứng với số bậc tự do i

a) Bậc tự do:

Số tọa độ độc lập cần thiết để xác định vị trí của một vật thể trong không gian

- Đối với phân tử có 1 nguyên tử thì số bậc tự do là 3

- Đối với phân tử có 2 nguyên tử thì số bậc tự do là 5

- Đối với phân tử có 3 nguyên tử trở lên thì số bậc tự do là 6

b) Động năng trung bình của phân tử khi có i bậc tự do

Động năng trung bình của phân tử được phân bố đều cho các bậc tự do Động năng trung bình của phân tử là Eđ i KT

2

=

4.1.6.2 Nội năng của khí lý tưởng

Nội năng là phần năng lượng ứng với chuyển động bên trong của vật Năng lượng đó bao gồm động năng của chuyển động của các phân tử và thế năng tương tác giữa chúng

Đối với khí lý tưởng vì các phân tử không tương tác với nhau nên thế năng bằng

0 Vậy nội năng của khí lý tưởng bằng tổng động năng của các phân tử khí

U N.Ed

Nội năng U của m kg trong khí lý tưởng:

4.2 Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học

Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học là sự tổng quát hóa định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng

4.2.1 Phát biểu nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học

Trong nhiệt động học, hệ không những có thể trao đổi năng lượng thông qua dạng công mà còn thông qua dạng nhiệt Vì công và nhiệt tương đương với nhau nên nếu hệ chỉ trao đổi công và nhiệt với bên ngoài thì ta có thể phát biểu thành định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng:

"Trong một quá trình biến đổi, độ biến thiên nội năng của hệ bằng tổng công và nhiệt mà hệ nhận được trong quá trình biến đổi đó

Đó chính là phát biểu của nguyên lý thứ nhất nhiệt động học

Đối với một quá trình biến đổi vô cùng nhỏ, biểu thức của nguyên lý thứ nhất có thể viết:

Nếu  A = 0; Q = 0 nghĩa là hệ không trao đổi công và nhiệt với bên ngoài thì

dU = 0 hay U = Const, nội năng của hệ được bảo toàn

4.2.2 Các hệ quả của nguyên lý I

a) Nếu hệ là cô lập, A = Q = 0 thì theo (7), U = 0, nghĩa là nội năng của hệ được bảo toàn

Giả sử ta có hai hệ cô lập gồm hai vật trao đổi nhiệt Gọi Q1, Q2 là nhiệt lượng

mà hai vật nhận được Ta có:

Q = Q1 + Q2 = Q hay Q1 = - Q2 Nghĩa là nếu Q1 > 0 (vật thứ nhất nhận nhiệt thì Q2 < 0 (vật thứ hai tỏa nhiệt) và ngược lại

Vậy trong hệ cô lập gồm 2 vật trao đổi nhiệt, nhiệt lượng do vật này tỏa ra bằng nhiệt lượng do vật kia thu vào

b.)Giả sử hệ là một máy làm việc tuần hoàn nghĩa là thực hiện quá trình kín (hay còn gọi là chu trình) nghĩa lá quá trình mà sau khi biến đổi hệ trở về trạng thái ban đầu trong quá trình kín đó theo biểu thức của nguyên lý thứ nhất nhiệt động học U = 0  A = – Q

Nghĩa là nếu A > 0 (hệ nhận công) thì Q < 0 (hệ sẽ tỏa nhiệt) ngược lại nếu Q >

0 (hệ nhận nhiệt) thì A < 0 (hệ sẽ sinh công)

Như vậy, theo nguyên lý thứ nhất nhiệt động học, một động cơ muốn sinh công thì nó phải nhận nhiệt từ bên ngoài Không thể có một động cơ sinh công và không cần tiêu thụ năng lượng Trước đây, có nhiều người đã hy vọng chế tạo ra một động

cơ có thể sinh công mãi mãi mà không cần cung cấp năng lượng Loại động cơ này gọi là động cơ vĩnh cửu loại I Nguyên lý thứ nhất đã chứng tỏ "Không thể nào chế tạo một động cơ vĩnh cửu loại I"

4.3 Ứng dụng của nguyên lý thứ nhất

Phạm vi ứng dụng của nguyên lý thứ nhất rất rộng rãi Trong giáo trình này ta chỉ ứng dụng nó để khảo sát một số quá trình cân bằng

4.3.1 Trạng thái cân bằng - Quá trình cân bằng

a) Trạng thái cân bằng của hệ là trạng thái trong đó mọi

thông số của hệ sẽ được hoàn toàn xác định và nếu không có tác

dụng bên ngoài thì trạng thái đó sẽ tồn taị mãi mãi

Nếu hệ là một khối khí nhất định, mỗi trạng thái cân bằng

của nó được xác định bởi 3 thông số P,V,T (có thể các thông

số khác) Do đó người ta biểu diễn trạng thái cân bằng của hệ

trên đô thị P,V bằng một điểm

b) Quá trình cân bằng là một quá trình biến đổi gồm một chuỗi liên tiếp các trạng thái cân bằng

Trong thực tế không có quá trình cân bằng vì trong quá trình biến đổi bao giờ trạng thái cân bằng trước cũng bị phá hủy Tuy nhiên, nếu quá trình thực hiện vô cùng chậm để hệ có thời gian thiết lập một trang thái cân bằng mới thì quá trình đó

Hay: Q= mC TvD

Cv là nhiệt dung phân tử đẳng tích

- Độ biến thiên nội năng:

Cp là nhiệt dung phân tử đẳng áp

- Độ biến thiên nội năng:

- Nhiệt dung phân tử đẳng áp Cp:

Từ phương trình trạng thái của khí lý tưởng:

c Quá trình đẳng nhiệt (T=const)

- Phương trình của quá trình:

P1.V1 = P2V2 (Định luật Bôi-Marriotte) (21)

- Công trong quá trình đẳng nhiệt:

2 2

1

1

V V

4.4 Nguyên lý thứ hai nhiệt động học

4.4.1 Nguyên lý thứ hai của nhiệt động học

Theo nguyên lý thứ nhất nhiệt động học để sinh công A trong chu trình, tác nhân phải dùng một nhiệt lượng Q = A Nhưng nguyên lý không giải quyết vấn đề đặt ra trong thực tế là có phải toàn bộ nhiệt lượng Q1 mà tác nhân của ngoại vật trong chu trình đã được dùng để sinh công A hay không? Vấn đề này có liên quan chặt chẽ với việc chế tạo động cơ vĩnh cửu loại II tức là loại động cơ có A = Q1 Sau thời gian dài mọi cố gắng nhằm thực hiện động cơ vĩnh cửu loại II đều vô ích Động cơ chế tạo trong thực tế, không thể sử dụng toàn bộ nhiệt lượng Q1 mà nó nhận của một ngùôn nhiệt nào đó để biến thành công A được mà bao giờ cũng phải truyền cho một nguồn nhiệt thứ hai một phần nhiệt lượng Q2 mà nó đã nhận của ngùôn thứ nhất nghĩa là Q = Q1 - Q2 = A Tổng quát hóa tất cả những kinh nghiệm và những quan sát thu được trong thực nghiệm,.người ta đã xây dựng nên một nguyên lý mới độc lập với nguyên lý thứ nhất nhiệt động học Đó là nguyên lý thứ hai nhiệt động học Nguyên lý này được phát biểu theo hai dạng khác nhau gắn liền với quá trình nghiên cứu hoàn thiện động cơ nhiệt và máy lạnh

a Cách phát biểu thứ nhất của nguyên lý thứ hai của nhiệt động học

“Không thể thực hiện được một chu trình sao cho kết quả duy nhất của nó là tác nhân sinh công do nhiệt lấy từ một nguồn.”

- Nói một cách khác: “Không thể chế tạo được một động cơ vĩnh cửu loại hai.” Cách phát biểu do J Thomson nêu ra đầu tiên, nên thường gọi là cách phát biểu Thomson

b Cách phát biểu thứ hai của nguyên lý thứ 2

Không thể thực hiện được một quá trình mà kết quả duy nhất là truyền năng lượng dưới dạng nhiệt từ vật lạnh hơn sang vật nóng hơn

Nói một cách ngắn gọn hơn: nhiệt không thể truyền từ lạnh sang nóng

Cách phát biểu này do Clausius đề xuất nên được gọi là cách phát biểu Clausius Hai cách phát biểu trên là hoàn toàn tương đương

4.4.2 Hệ quả của nguyên lý II

a Động cơ nhiệt

Theo nguyên lý thứ hai nhiệt động học thì trong một chu trình tác nhân không thể dùng tất cả nhiệt lượng Q1 mà nó nhận được của ngoại vật để sinh công A mà chỉ dùng được một nhiệt lượng (Q1 - Q2) để sinh công A Như vậy, tác nhân thực hiện chu trình trong động cơ nhiệt phải làm việc giữa hai nguồn nhiệt: nguồn nóng

có nhiệt độ T1 cao hơn nhiệt độ tác nhân truyền nhiệt lượng Q1 cho tác nhân và nguồn lạnh có nhiệt độ T2 thấp hơn nhiệt độ tác nhân, nhận nhiệt lượng Q2 của tác nhân Như vậy là T1 > T2

Sơ đồ hoạt động của động cơ nhiệt được biểu thị bởi hình

vẽ

Vậy từ nguyên lý thứ hai, vấn đề đặt ra trong kỹ thuật là

chế tạo và cải tiến động cơ nhiệt sao cho giá trị công A càng

gần giá trị nhiệt lượng Q1 được bao nhiêu thì càng tốt bấy

nhiêu Để đặc trưng cho tính chất này của động cơ nhiệt người

ta đưa ra khái niệm hiệu suất  được biểu thị bằng công thức

b Máy lạnh

Sơ đồ hoạt động của máy làm lạnh cũng tương tự như sơ đồ của động cơ nhiệt

đã nêu ở phần trên nhưng quá trình xảy ra theo chiều ngược lại Nghĩa là khi thực hiện chu trình tác nhân của máy làm lạnh nhận công A của ngoại vật và nhận nhiệt lượng Q2 của nguồn lạnh T2 và sau đó tác nhân truyền cho nguồn nóng T1 nhiệt lượng Q1

Tóm lại, đối với máy làm lạnh việc lấy nhiệt lượng Q2 từ một vật định làm lạnh (nguồn lạnh) và truyền nhiệt lượng này cho vật nóng hơn (nguồn nóng) nhất thiết phải kèm theo việc tác dụng công của ngoại vật lên tác nhân

Nhận xét xem máy làm lạnh nào làm việc tốt hơn ta cần chú ý đến tỷ số Q2/A nghĩa

là máy làm lạnh nào chuyển được nhiệt lượng Q2 từ nguồn lạnh lên nguồn nóng càng

lớn trong khi đó có nhận công A của ngoại vật càng ít tức là tỷ số Q2/A càng lớn thì máy làm lạnh đó càng tốt: Tỷ số Q2/A được gọi là hiệu suất của máy làm lạnh Ta có:

2

Q A

4.4.3 Quá trình thuận nghịch

Quá trình thuận nghịch là quá trình có thể biểu diễn theo chiều ngược lại qua mọi trạng thái trung gian khi ta thay đổi rất ít điều kiện bên ngoài

Muốn cho quá trình thuận nghịch, thì nó không

được phép chứa trong đó những phần của quá trình

dù rất nhỏ chỉ diễn biến được theo một chiều (quá

trình bất thuận nghịch) cụ thể là trong khi hệ thực

hiện quá trình không được phép có ma sát biến công

thành nhiệt, truyền nhiệt từ nóng sang lạnh hoặc giản

nở khí bằng chân không

- Để không có nhiệt truyền từ nóng sang lạnh, khi hệ nhận nhiệt nó phải diễn biến theo một quá trình đoạn nhiệt, còn khi muốn nhiệt độ không đổi thì nó phải thực hiện quá trình đẳng nhiệt

- Để không có công biến thành nhiệt hệ phải không có ma sát

- Để không có khí giãn nở vào chân không, các quá trình phải diễn biến vô cùng chậm

Một quá trình thuận nghịch bất kỳ có thể xem như một dãy những quá trình đẳng nhiệt và đoạn nhiệt liên tiếp vô cùng chậm Quá trình thuận nghịch đơn giản nhất nối giữa hai trạng thái bất kỳ bao gồm một quá trình đoạn nhiệt và một quá trình đẳng nhiệt, cả hai cùng diễn biến vô cùng chậm

Mỗi trạng thái trung gian của quá trình thuận nghịch hệ coi như ở trạng thái cân bằng, cho nên lo ại trừ một vài trường hợp cá biệt, ta có thể xem quá trình thuận nghịch như một quá trình cân bằng và có thể biểu diễn nó trên giản đồ P V bằng một đường nào đấy

Một quá trình mà đại bộ phận các khoảng trung gian là thuận nghịch nhưng có một khoảng dù rất nhỏ bất thuận nghịch cũng phải coi là quá trình bất thuận nghịch

4.4.4 Chu trình thuận nghịch và chu trình Carnot

Một chu trình mà mọi quá trình cấu tạo nên nó là thuận nghịch tùy ý có thể xem như cấu tạo bởi nhiều đoạn đường đẳng nhiệt và đoạn nhiệt vô cùng bé kế tiếp nhau

Vì các đường đẳng nhiệt tự chúng không cắt nhau, các đường đoạn nhiệt cũng không cắt nhau, nên chu trình thuận nghịch đơn giản nhất là chu trình chỉ có 2 đường đẳng nhiệt là 2 đường đoạn nhiệt mà ta gọi là chu trình Carnot (do Carnot đề xuất)

Chu trình Carnot chạy thuận là một động cơ nhiệt, còn nếu chạy ngược nó là một máy lạnh lý tưởng

a Chu trình thuận nghịch tùy ý xem như một dãy các đường đẳng nhiệt và đoạn nhiệt liên tiếp nhau

b Chu trình Carnot gồm 2 đường đẳng nhiệt và 2 đường đoạn nhiệt

4.4.5 Hiệu suất của chu trình Carnot với khí lý tưởng

Chu trình Carnot là chu trình 2 nguồn nhiệt Giá sử hệ (trong trường hợp đang xét) là một môle khí lý tưởng trao đổi (nhận) nhiệt Q1 với nguồn T1 và nhả nhiệt Q2cho nguồn T2

Hiệu suất của chu trình là:

B 1 A

VV

VR.T Ln

C B

C V

g-

V V

Bài 5 CHẤT LỎNG

5.1 Tính chất và cấu tạo của chất lỏng

5.1.1 Tính chất của chất lỏng

Ta biết trong đời sống hàng ngày, chất lỏng là trạng thái trung gian giữa chất khí

và chất rắn, tùy theo nhiệt độ và áp suất mà chất lỏng có thể bay hơi thành chất khí hoặc cũng có thể đông đặc thành chất rắn

Trong chất lỏng các phân tử ở khá gần nhau, lực tương tác giữa chúng khá lớn do

đó chúng không thể chuyển động tự do như trong chất khí mà dao động quanh vị trí cân bằng Tuy nhiên chúng cũng khác chất rắn là các phân tử có thể từ vị trí cân bằng này chuyển sang vị trí cân bằng khác và khoảng dịch chuyển này chỉ vào cỡ kích thước của phân tử Do đó chất lỏng có thể tích nhất định nhưng dễ dàng trượt lớp nọ lên lớp kia

Tóm lại, theo quan điểm thuyết động học phân tử sự khác nhau giữa tính chất của các trạng thái lỏng, khí, rắn là do sự sắp xếp các phần tử (thứ tự hay hỗn loạn)

và khoảng cách tương đối giữa chúng giữa chúng (ở gần hay xa nhau)

5.1.2 Cấu tạo và chuyển động phân tử của chất lỏng

Để hiểu rõ tính chất của chất lỏng, ta cần biết cấu tạo của chất lỏng

Các phân tử trong chất lỏng sắp xếp tương đối có thứ tự ở gần trạng thái cân bằng nhưng các phần tử có thể từ trạng thái cân bằng này chuyển sang trạng thái cân bằng cạnh đó

Thời gian dao động quanh vị trí cân bằng phụ thuộc vào nhiệt độ Khi tăng nhiệt

độ thời gian đó giảm Ở nhiệt độ gần nhiệt độ đông đặc thời gian đó lại rất lớn Nghiên cứu chuyển động phân tử trong chất lỏng Frenken đã tìm ra công thức:





Trong đó: là thời gian dao động trung bình của phân tử quanh vị trí cân bằng k: hằng số Boltzman

0 là chu kỳ dao động trung bình của phân tử quanh vị trí cân bằng

E là năng lượng hoạt động của phân tử

T là nhiệt độ tuyệt đối

Ví dụ: Đối với nước nhiệt độ thông thường t = 10-11 giây trong khi đó 0 = 10-13giây Như vậy, cứ dao động khoảng 100 chu kỳ phân tử nước lại dịch đi chỗ khác

5.2 Các hiện tượng mặt ngoài của chất lỏng

5.2.1 Áp suất phân tử

Trong chất lỏng, khoảng cách phân tử nhỏ so với trong chất

khí Vì vậy lực hút phân tử đóng một vai trò đáng kể Tuy nhiên

lực hút phân tử giảm nhanh theo khoảng cách, do đó những phân

tử cách nhau một khoảng nhỏ hơn so với cỡ r = 10-9m mới tác

dụng lên nhau, ngoài phạm vi đó các phân tử không tương tác

với nhau

- Nếu lấy một phân tử làm tâm vẽ một mặt cầu bán kính r = 10-9m thì phân tử trên chỉ tương tác với các phân tử nằm trong mặt cầu đó Mặt cầu đó gọi là mặt cầu bảo vệ

- Đối với các phân tử nằm sâu trong chất lỏng, mặt cầu bảo vệ hoàn toàn trong chất lỏng ta thấy lực phân tử do các phân tử xung quanh gây ra sẽ triệt tiêu nhau Kết quả phân tử đó hầu như không chịu lực tác dụng

- Đối với các phân tử nằm ở mặt ngoài (có bề dày nhỏ hơn 10-9m) thì mặt cầu bảo vệ của chúng không nằm hoàn toàn trong chất lỏng, lực tác dụng lên mỗi phân

tử không bù trừ lẫn nhau và phân tử chịu một lực tác dụng tổng hợp hướng vào trong chất lỏng Lực này ép lên phần chất lỏng phía trong và gây nên một áp suất gọi là áp suất phân tử ở chất lỏng

- Đối với nước, áp suất phân tử đến hàng vạn átmốtphe, mặc dù áp suất phân

tử rất lớn nhưng nó không nén được các phân tử sát lại nhau Lý do vì lúc các phân

tử sát nhau thì giữa các phân tử xuất hiện lực đẩy, lực đẩy này tăng rất nhanh khi khoảng cách giữa các phân tử giảm và chống lại áp suất phân tử.Do lực đẩy phân tử tăng khi khoảng cách giảm nên chất lỏng rất khó chịu nén

Chú ý: Không thể đo áp suất phân tử vì nó hướng vào trong chất lỏng, nó không

tác dụng lên thành bình và lên các vật nhúng vào trong chất lỏng

5.2.2 Lực căng mặt ngoài

Ta hãy xét các phân tử nằm ở mặt ngoài của chất lỏng Với các phân tử này mặt cầu bảo vệ của chúng chỉ có một phần trong lòng chất lỏng, khi đó lực tác dụng lên phân tử này có thể phân tích thành:

- Hai thành phần tiếp tuyến với mặt ngoài chất lỏng

- Một thành phần thẳng góc với mặt thoáng chất lỏng, thành phần pháp tuyến này gây nên áp suất phân tử như đã nói ở trên

Bây giờ ta xét hai thành phần tiếp tuyến với mặt

ngoài Bình thường hai thành phần này bù trừ với nhau

Ta giả sử vì một lý do nào đấy mặt ngoài chất lỏng ở

phía bên phải bị phá vỡ lúc đó các thành phần tiếp tuyến

không còn bù trừ nhau nữa Mặt ngoài chất lỏng bị co về

phía trái

Để giữ mặt ngoài của chất lỏng ở trạng thái cũ ta phải

tác dụng lên chiều dài đường ranh giới 1 của mặt ngoài