Struktura a vlastnosti kapalin

29. Struktura a vlastnosti kapalin

Kapaliny

přechod mezi pevnými a plynnými látkami
skládají se z molekul, které konají tepelný pohyb (Difúze, Brownův pohyb, osmóza)
uspořádání částic je krátkodosahové, podobné amorfním částicím
molekuly kapalin neustále kmitají s frekvencí 1012 Hz
zvýší-li se teplota, projeví se to na lepší tekutosti
molekuly na sebe působí přitažlivými silami
téměř nestlačitelné, stálý (vlastní) objem

Povrchová vrstva kapaliny

volný povrch kapaliny se chová stejně jako tenká pružná blána
kolem každé molekuly je tzv. sféra molekulového působení, poloměr řádově 1 nm
je-li molekula i její sféra uvnitř kapaliny výslednice přitažlivých sil je nulová
na tyto molekuly působí přitažlivě síly molekul plynu, výslednice těchto sil je ale zanedbatelná vůči výslednici působení molekul kapaliny
vrstva molekul, jejichž vzdálenost od povrchu je menší než poloměr jejich sfér se nazývá povrchová vrstva kapalin

Na každou molekulu ležící v povrchové vrstvě kapaliny působí sousední molekuly výslednou přitažlivou silou, která směřuje dovnitř kapaliny a je kolmá na volný povrch.

povrchová vrstva má povrchovou energie (molekuly povrchové vrstvy mají větší Ep než molekuly uvnitř kapaliny
kapalina má tendenci nabývat takového tvaru aby obsah jejího povrchů byl co nejmenší a tím byla minimální povrchová energie – při daném objemu má nejmenší obsah povrchu koule, proto se tvoří kapky (deformují se účinkem tíhové síly)

Povrchová síla

síla, která zajišťuje stažení kapaliny do minimálního obsahu povrchu
má směr tečny k povrchu kapaliny a leží v povrchu kapaliny
bublina (blána) – 2 povrchy

Povrchové napětí

podíl velikosti povrchové síly F a délky l okraje povrchové blány, na který povrchová síla působí kolmo v povrchu kapaliny s hlediska energetického
povrchové napětí je skalární veličina s jednotkou N.m-1
závisí na druhu kapaliny a na prostředí nad volným povrchem, s rostoucí teplotou klesá

Jevy na rozhraní pevného tělesa a kapaliny

Kapalina smáčí stěny nádoby Kapalina nesmáčí stěny nádoby

Na molekulu kapaliny u stěny nádoby působí 4 síly. Je to výslednice sil částic pevného tělesa F1 v levé polovině sféry molekuly. Dále na ni působí výslednice sil molekul kapaliny v pravé dolní části sféry F2. Třetí je výslednice sil molekul plynu v pravé horní části sféry F3. A tíhová síla FG. F3 a FG jsou ve srovnání s F1 a F2 zanedbatelně malé. Či-li chování kapaliny u stěny záleží na výslednici sil F1 a F2. Pokud tato výslednice směřuje ven z kapaliny, pak volný povrch kapaliny u stěny je dutý, kapalina smáčí stěny. Směřuje-li výslednice do kapaliny, pak volný povrch je vypuklý a kapaliny nesmáčí stěny.

Úhel se nazývá stykový úhel.

je-li roven nule kapalina dokonale smáčí stěny
, kapalina dokonale nesmáčí stěny
pro skutečné kapaliny platí: nebo
, povrch kapaliny je nezakřivený

Zakřivení povrchu kapaliny při stěnách nádoby, v kapilárách, u kapek a bublin způsobuje vznik přídavného tlaku v kapalině. Tento tlak se nazývá kapilární tlak.

pod vypuklým povrchem je tlak větší o kapilární tlak než tlak vevnitř kapaliny
pod dutým je o tento tlak menší

Pokud má volný povrch tvar kulového vrchlíku (koule) pak vztah pro kapilární tlak je: , kde je povrchové napětí a R je poloměr kulového povrchu.

U mýdlové bubliny je to: (2 povrchy).

Kapilarita

pokud svisle vložíme do kapaliny trubici malého průměru pozorujeme zakřivení volného povrchu
u kapalin smáčející stěny nádoby vytvoří kapalina dutý vrchlík a volný povrch v trubici vystoupne nad volný povrch kapaliny v nádobě – kapilární elevace
u kapalin nesmáčející stěny nádoby vytvoří kapaliny vypuklý vrchlík a volný povrch v trubici klesne pod volný povrch v nádobě – kapilární deprese

Kapilární elevace Kapilární deprese

Kapilární depresi a elevaci nazýváme kapilaritou. Způsobeno kapilárním tlakem.

Po ponoření trubice do kapaliny se vytvoří dutý vrchlík o poloměru R. Pod dutým povrchem je tlak menší o kapilární tlak – kapalina vystoupí do výšky h, při které ph odpovídající výšce h je stejný jako kapilární tlak. …… , výška při kapilární elevaci, stejné vztahy platí i pro kapilární depresi.

Praxe: voda stoupá v půdě a vypařuje se – vzlínavost , zabraňuje se mu rozrušením kapilár orbou, naopak stlačováním se kapiláry vytvářejí, knoty svíček, výživa rostlin.

Teplotní objemová roztažnost kapalin

objem roste s rostoucí teplotou
, – teplotní součinitel objemové roztažnosti kapalin, obecně je větší než u pevných látek
se změnou teploty se také mění hustota:

Anomálie vody