Struktura a vlastnosti kapalin

Struktura kapalin

• Tvoří přechod mezi pevnými látkami a plyny, podobné struktuře amorfních látek
• Krátkodosahové uspořádání molekul v kapalině →působí přitažlivé síly
• Molekuly mají přibližně stejnou střední vzdálenost jako molekuly pevných látek
• Molekuly neustále neuspořádaně kmitají
• Zvýšením teploty se snižuje tření – lepší tekutost

Povrchová vrstva kapalin

• Povrch kapaliny se chová jako tenká, pružná blána
• Vysvětlení: kolem každé molekuly kapaliny existuje tzv. sféra molekulového působení (s poloměrem rm), kde na molekuly výrazně působí přitažlivé síly (za hranicí sféry je tomu naopak)
• Povrchová vrstva se skládá z molekul, jejichž vzdálenost od volného povrchu kapaliny je menší než poloměr rm a na které působí výsledné přitažlivá síla směřující do kapaliny

obrázek vynechán

Povrchová energie

• Při přesunu molekuly do povrchové vrstvy je nutné překonat přitažlivé síly nejbližších molekul, proto molekuly v povrchové vrstvě mají větší Ep než molekuly uvnitř kapaliny
• Povrchové vrstvě přiřazujeme energii, kterou nazýváme povrchová energie, je jednou ze složek vnitřní energie kapaliny
• Tekuté těleso se snaží zaujmout tvar s co nejmenším povrchem (nejčastěji kulovitý tvar) - proto mají kapky tvar koule

Povrchové napětí

• Skalární veličina, vyjadřuje pružnou vlastnost povrchové vrstvy

• Povrchové napětí σ se rovná podílu velikosti povrchové síly F a délky l okraje povrchové blány, na který povrchová síla působí kolmo v povrchu kapaliny

    				obrázek vynechán

N.m-1

• Závisí na druhu kapaliny, na prostředí nad povrchem kapaliny, s rostoucí teplotou povrchové napětí klesá
• Přidáním saponátu či mýdla se povrchové napětí snižuje – voda lépe smáčí (snáze pronikne do skulin mezi nečistotami)

Povrchová síla

• Síla, která zajišťuje stažení kapaliny do minimálního obsahu povrchu
• Na okraj povrchové blány působí molekuly kapaliny povrchovou silou, která je kolmá na tento okraj a jejíž směr leží v povrchu kapaliny
• Ponoříme-li drátěný rámeček s lehce pohyblivou příčkou AB do mýdlového roztoku, vytáhneme ho a příčku posuneme, vytvoří se na něm tenká kapalinová blána s povrchovými vrstvami na obou stranách. Když příčku uvolníme, tak pozorujeme, že se blána stahuje a táhne za sebou i příčku AB. Je tomu tak proto, že na příčku AB působí v každém povrchu (blána má dva povrchy) kolmá síla F, síla leží v povrchu kapaliny.

obrázek vynechán

Jevy na rozhraní pevného tělesa a kapaliny

• přitažlivé síly molekul vzduchu a G zanedbáváme (pro jejich malou velikost)
• F1 – přitažlivá síla částic stěny nádoby
• F2 – přitažlivá síla molekul kapaliny (směřuje dovnitř kapaliny)
• F = F1 + F2
  • jestliže výslednice směřuje ven z kapaliny, pak povrch kapaliny je dutý (např. voda ve sklenici) - kapalina smáčí stěnuobrázek vynechánobrázek vynechánobrázek vynechán

obrázek vynechán

• • obrázek vynechánJestliže výslednice směřuje dovnitř kapaliny, je povrch vypuklý (např. rtuť v mědi) - kapalina nesmáčí stěnu
  • Pokud výslednice leží na povrchu nádoby, je povrch rovný
• Úhel v = stykový úhel
• ν=0°→dokonale smáčí; ν= π → dokonale nesmáčí
• skutečné kapaliny mají hodnotu v v intervalu 0° < ν < π/2 nebo π/2<v<π

Kapilární jevy

• Nastává u trubic s velmi malým vnitřním průměrem

• Jevy způsobeny kapilárním tlakem

• obrázek vynechánkapilární elevace (jestliže kapalina smáčí vnitřní povrch kapiláry)

• kapilární deprese (kapalina nesmáčí vnitřní povrch kapiláry)

• depresi a elevaci souhrnně nazýváme kapilarita

• např. vystupování vody z hloubky kapilárami do povrchových vrstev půdy, kde se vypařuje – vzlínavost

• Pro výšku h při kapilární elevaci/depresi platí vztah:

    	obrázek vynechán

ς – hustota kapaliny; σ – povrchové napětí

R – vnitřní poloměr kapiláry; g – grav. zrychlení

• Těsně pod dutým povrchem je vnitřní tlak menší než těsně pod rovinným povrchem kapaliny v okolí kapiláry, a to o kapilární tlak
• Kapalina vystoupí do takové výšky h, aby hydrostatický tlak odpovídající tomuto sloupci kapaliny vyrovnal rozdíl vnitřních tlaků
• Kapilární jevy vysvětlují schopnost řady látek vstřebávat (nasávat) vlhkost
• Kapilární tlak:

obrázek vynechán

• Bublina s větším poloměrem roste a menší se smrskává, až nakonec zanikne
• Svědčí to o tom, že na počátku děje je větší kapilární tlak v menší bublině a tím také větší tlak vzduchu v bublině

Teplotní objemová roztažnost kapalin

• Nastává při změně teploty
• Pro nepříliš velké teplotní rozdíly a za stálého vnějšího tlaku platí:

obrázek vynechán

β = teplotní součinitel objemové roztažnosti kapaliny (viz MFCHT)

• Pro větší teplotní rozdíly:

obrázek vynechán

• Využívá se u kapalinových teploměrů

• Se změnou teploty kapaliny se mění také její hustota:

  ς = ς1 (1 – βΔt)

Anomálie vody

• Hustota vody v intervalu 0°C až 4°C roste (a zmenšuje se její objem), při teplotě 4°C dosahuje maxima a pak klesá (objem se zvětšuje)
• Tento jev se nazývá anomálie vodyobrázek vynechán
• Led při teplotě 0 °C úplně neroztaje, takže ve vodě zůstávají drobné krystalky ledu - v nichž jsou molekuly vzdálenější než ve vodě
• Při zvětšování teploty od 0 °C do 4 °C zbytky ledu mizí, tím se zmenšují vzdálenosti mezi molekulami vody a celkový objem klesá, hustota roste.
• Od 4 °C se při ohřívání střední vzdálenosti molekul zvětšují, objem roste a hustota klesá.
• Umožňuje život vodních živočichů v zimním období (u dna má voda teplotu 4 °C)