Struktura a vlastnosti kapalin

 

Otázka: Struktura a vlastnosti kapalin

Předmět: Fyzika

Přidal(a): Alchymista

 

 

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 r_m), 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 r_m a na které působí výsledné přitažlivá síla směřující do kapaliny

 

Povrchová energie

• Při přesunu molekuly do povrchové vrstvy je nutné překonat přitažlivé síly nejbližších molekul, proto molekuly v povrchové vrstvě mají větší E_p 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
• σ = (F/l) * 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.

 

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 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

 

Kapilární jevy

• 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 = (2σ)/(ςgR)
    • 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
  • 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:
  • V = V₁(1+βΔt)
    • β = teplotní součinitel objemové roztažnosti kapaliny (viz MFCHT)

• Pro větší teplotní rozdíly:
  • V = V₁(1+β₁Δt +β₂(Δt)²)
• 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 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)