Struktura a vlastnosti kapalin

Proč je zakázané kopírování? 💾 Stáhnout materiálVIP členstvíNahlásit chybu

fyzika

 

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 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

 

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
  • 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°C4°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)