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

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

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

$σ = l F $

Jednotka: 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)

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.

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 stěnu

Jestliže 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

Nastává u trubic s velmi malým vnitřním průměrem
Jevy způsobeny kapilárním tlakem
kapilární 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:

$h = ρ g R 2 σ $

ρ – 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:

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

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

$V = V 1 (1 + β Δ t)$

β = teplotní součinitel objemové roztažnosti kapaliny (viz MFCHT)

$V = V 1 [1 + β 1 Δ t + β 2 (Δ t) 2]$

$ρ = ρ 1 (1 - β Δ t)$

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 vody
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)