12/12/2019 13:30:39 GMT+7
Chúng ta thường nghĩ rằng các nguyên tử trong chất rắn dày đặc hơn chất lỏng và các nguyên tử trong chất lỏng lại dày đặc hơn chất khí nên thể rắn của một chất sẽ chìm xuống khi đặt trên thể lỏng của chất đó. Vậy thì tại sao nước đá lại nổi trên mặt nước?  Bạn nghĩ rằng khi nước lỏng bắt đầu đóng băng, các phân tử sẽ liên kết lại với nhau ngày càng chặt chẽ, nhưng đó không phải những gì thực sự xảy ra. Nước có một loại tương tác đặc biệt giữa các phân tử của chúng với nhau mà hầu hết các loại chất khác đều không có, nó được gọi là liên kết hydro. Nước được tạo thành bởi 1 nguyên tử Oxi liên kết với 2 nguyên tử Hydro bằng liên kết cộng hóa trị và liên kết này bị kéo lệch về phía nguyên tử O khiến cho nước bị phân cực. Vì thế các phân tử nước có thể hình thành được các liên kết H. Các thí nghiệm cho thấy rằng khi nhiệt độ >4oC, các phân tử nước chuyển động mạnh, vì thế các liên kết H bị bẻ gãy khi các phân tử nước va chạm vào nhau do chuyển động nhiệt và lực hút tĩnh điện. Điều này có nghĩa là các liên kết Hydro không đủ mạnh để giữ các phân tử nước lại với nhau. Nhưng khi nhiệt độ hạ xuống <4oC, các phân tử nước di chuyển chậm lại đủ để các liên kết Hydro kết nối với nhau, vì vậy cấu trúc phân tử nước thay đổi tạo thành mạng lưới. Cấu trúc mạng lưới có trật tự này ít dày đặc hơn cấu trúc không trật tự của nước dạng lỏng. Vì lí do này mà thể tích của đá tăng lên khi chuyển từ lỏng sang rắn, dẫn tới khối lượng riêng của nước đá nhỏ hơn khối lượng riêng của nước lỏng. Và bạn biết rằng nếu một vật thể kém đậm đặc hơn so với chất lỏng chứa nó, nó sẽ nổi lên trên. Dung (Nguoiduatin.vn)
Khi chúng ta thả những cục đá vào trong một cốc nước, chúng thường nổi lên trên mặt nước chứ không chìm xuống dưới đáy cốc. Vì sao lại như vậy? Mỗi lần uống nước đá, chắc hẳn ai đều thấy hiện tượng khá quen thuộc là những viên đá thường sẽ nổi lên trên mặt nước. Điều này hơi khó hiểu vì cục đá nặng như vậy sao lại không thể chìm xuống được?. Trong vật lý chúng ta đều biết rằng các chất nở ra khi nóng lên, co lại khi lạnh đi. Nếu cứ theo nguyên lý này để giải thích thì ở cùng một khối lượng,nước đá ở 0oC sẽ có thể tích nhỏ hơn nước ở nhiệt độ thường. Và theo công thức tính khối lượng riêng D = m/V mà xét,nước đá sẽ có khối lượng riêng lớn hơn nước lỏng bình thường. Vì thế, theo logic đá phải chìm xuống nước chứ không thể nổi được? Lý do ở đây là gì? Nó có liên quan đến lực đẩy Ác-si-mét không?
Trong thực tiễn, đá nổi trên mặt nước chứng tỏ rằng ở cùng một khối lượng tương đương, thể tích của đá phải lớn hơn thể tích nước thường để khối riêng của đá nhỏ hơn khối lưởng iêng của nước lỏng. Nước được tạo thành bởi 1 nguyên tử O liên kết với 2 nguyên tử Hbằng liên kết cộng hóa trị và liên kết này bị kéo lệch về phía nguyên tử O khiến cho nước bị phân cực. Vì thế các phân tử nước có thể hình thành được các liên kết H. Theo khảo sát qua các thí nghiệm, người ta nhận thấy rằng khi nhiệt độ >4oC,các phân tử nước chuyển động mạnh, vì thế các liên kết H bị bẻ gãy khi các phân tử nước va chạm vào nhau do chuyển động nhiệt và lực hút tĩnh điện (ảnh a theo hình dưới đây). Khi nước lỏng bị làm lạnh, đông đá và tạo thànhtinh thể lục giác mở (tinh thể của tuyết),các phân tử nước phải rời xa nhau. Vì lí do này mà thể tích của đá tăng lên khi chuyển từ lỏng sang rắn, dẫn tới khối lượng riêng của nước đá nhỏ hơn khối lượng riêng của nước lỏng. Do đó mà đá nổi lên trên nước lỏng! Nếu khó hiểu quá, có thể theo cách giải thích sau để dễ hiểu hơn:
“Trong nước đá, các liên kết ở trạng thái bền nhất, tức lực liên kết là mạnh nhất, vì thế các phân tử nước trong nước đá phải liên kết với nhau theo một cấu trúc mạng nhất định, khác với nước lỏng các phân tử nước liên kết tự do. Do đó, ở thể lỏng, số phân tử nước trong một đơn vị thể tích là nhiều hơn so với ở thể rắn. Điều này khiến cho nước đá có khối lượng riêng nhỏ hơn khối lượng riêng của nước lỏng. Vậy nên nước đá sẽ nổi trên nước lỏng.” Điều này là cơ sở cho việc giải thích tại sao băng giá lại có thể nổi trên mặt hồ nước ở những vùng có khí hậu lạnh. Băng giá nổi trên mặt nước,lớp nước ấm hơn sẽ ở phía dưới lớp băng này, vì vậy các loài động vật như cá hay thực vật thủy sinh có thể sống qua mùa đông khắc nghiệt. Ngoài ra, khi nước lỏng chuyển sang dạng đá, thể thích tăng lên, thế nên ta không được đổ đầy nước vào bình hay chai thủy tinh rồi cho vào tủ lạnh. Bởikhi hình thành nước đá thể tích nước đá giãn nở làm vỡ chai hay bình đựng, rất nguy hiểm! Video:
Nguyên lý của Archimedes nói rằng lực đẩy lên của vật thể chìm bằng trọng lượng của phần nước bị dịch chuyển. Trọng lượng của một vật bằng khối lượng của nó nhân với g, gia tốc do trọng trường. Vì vậy, lực nổi hướng lên - hãy gọi là F B , đối với lực nổi - bằng khối lượng x g của nước. Mật độ là khối lượng chia cho thể tích, chúng ta có thể sắp xếp lại để nói rằng khối lượng là mật độ nhân với thể tích. Vì vậy, chúng ta có thể nói rằng F B , lực nổi của chúng ta, do đó, bằng khối lượng riêng của nước x khối lượng nước x g. Vì vậy, nếu thể tích của nước bằng thể tích của vật chìm thì lực nổi F B của ta bằng khối lượng riêng của nước x thể tích của vật bị ngập x g. Lực nổi này ít nhất phải lớn bằng lực hấp dẫn. Công của trọng lực tác dụng lên vật là? Đó là trọng lượng của vật thể: khối lượng của vật thể x g. Chúng ta có thể sử dụng thủ thuật tương tự như trước đây và nói rằng trọng lượng của vật thể, mà chúng ta gọi là W, bằng khối lượng riêng của vật thể x thể tích của vật thể ngập nước x g. Điều này gần giống như biểu thức cho F B , với một điểm khác biệt: mật độ. Vì vậy, lực nổi sẽ cân bằng lực hấp dẫn nếu khối lượng riêng của vật thể nhỏ hơn khối lượng riêng của nước. Tất cả những điều này đều đi đến một quy luật đơn giản: một vật thể sẽ nổi trên mặt nước nếu nó ít đặc hơn.Chất rắn sẽ nổi trên chất lỏng nếu nó ít đặc hơn, nhưng rất hiếm khi ở dạng rắn của một vật liệu ít đặc hơn chất lỏng. Một vật chất có thể hình thành các trạng thái vật chất chỉ khác nhau ở cách sắp xếp các hạt. Trong chất rắn, các phân tử tự gói chặt với nhau thành một mô hình lặp lại có trật tự, gọn gàng được gọi là mạng tinh thể. |
