STRUKTURA A VLASTNOSTI KAPALIN

Kapaliny

• Molekuly poměrně silně vázány k sobě –projevuje se hlavně u hladiny

• Molekuly se tepelně pohybují (difúze a Brownův pohyb)

• Kmitají s frekvencí cca 1012 Hz kolem rovnovážných poloh

• Uspořádání molekul je krátkodosahové• Malé vzdálenosti mezi molekulami (10-10 m)

Povrchová vrstva kapaliny

PROČ PLAVE MINCE NA HLADINĚ VODY?

POVRCH KAPALINY SE CHOVÁ JAKO TENKÁ PRUŽNÁ BLÁNA

PROČ?

Částice na sebe působí přitažlivými silami (pouze na velmi krátkou vzdálenost)

Kolem molekuly je SFÉRA MOLEKULOVÉHO PŮSOBENÍ (prostor ve kterém působí okolní molekuly na vybranou molekulu)

POVRCHOVÁ VRSTVA je vrstva molekul jejichž vzdálenost od volného povrchu je menší než poloměr SFÉRA PŮSOBENÍ.

Na každou molekulu v povrchové vrstvě působí výsledná síla směřujícídovnitř kapaliny.

Výsledná síla je nulová

Výsledná síla působídovnitř kapaliny

Na částice kapaliny téžpůsobí částice plynu a nádoby

Kohezní síly mezi molekulami

Povrchové napětí je způsobeno mezimolekulárními přitažlivými silami mezi částicemi u hladiny

• K přesunutí molekuly z vnitřku kapaliny do povrchovévrstvy je nutné vykonat práci k překonání této síly – proto mají molekuly povrchové vrstvy větší potenciální energii než molekuly uvnitř kapaliny.

• Tuto část potenciální energie nazýváme POVRCHOVÁENERGIE a je jednou ze složek vnitřní energie.

• Čím větší povrch, tím větší povrchová energie v přírodě je snaha o stav s nejmenší energií => nejmenšípovrch má koule

Mince na hladiněMince zvětšuje povrch kapaliny, molekuly se tomu

brání (jako bychom natahovaly blánu)Vodoměrka, mince, jehla, brouk… plavouPS: brouk ponořený pod hladinu vody nevyplave

Povrchová síla• Pohyb příčky –

překonáváme POVRCHOVOU SÍLU (kolmá na příčku)

• blána má 2 povrchy proto 2F

• 2F = GF = G/2

Povrchová síla• Je přímo úměrná délce okraje• F = σ.ll… délka okrajeσ…POVRCHOVÉ NAPĚTÍ – závisí

nepřímo na teplotě, určena pro kapalinu a okolníplyn

[σ] = N.m-1

• Voda vzduch 20°C σ = 73 mN/m• Ethanol vzduch 20°C σ = 22 N/m

kapalina [10-3N/m]aceton 23,3benzen 28,9etanol 22,55n-hexan 18,4n-pentan 16,0rtuť 476voda 72,75

Při 20 °C

Proč se myjeme teplou vodou?

Proč kapka nespadne?

Proč kapka nespadne?Drží ji povrchová síla

Pokud je výslednice povrchové síly větší nežtíhová síla, kapka neupadne

Povrchová síla v nejužším místě

F = σ.lF = σ.2πr

G = mgG = ρVg

gRG ..34 3ρπ=

Jevy na rozhraní pevného tělesa a kapaliny

• Smáčení a nesmáčení stěn nádoby kapalinou

• Kapilární jevy• Mytí (nejen nádobí)

SmSmááččeneníí a nesma nesmááččeneníí

Vysvětlení Smáčení stěn

• Pokud výsledná síla směřuje ven z kapaliny, pak kapalina smáčí stěnu nádoby

Dokonalé smáčení stěn

• Jestliže výsledná síla směřuje ve směru povrchu stěny

• Kapalné hélium

Nesmáčení stěn

• Jestliže výsledná síla směřuje dovnitřkapaliny, kapalina stěny nádoby nesmáčí

Nesmáčivé povrchyPájka

Stykový úhel• pro Θ = 0 rad dokonale

smáčí stěnu• pro Θ = π rad kapalina

dokonale nesmáčí stěnu nádoby

• reálné tekutiny 0< Θ < π/2 smáčíπ/2<Θ<π nesmáčí

• voda na skle Θ = 8°• rtuť na skle Θ = 128°

Smáčení a nesmáčení v zemědělství

Nesmáčivá písčitápůda

Smáčivá písčitá půda s použitím humusu

Povrchové napětí z pohledu hmyzí říše

Při pohledu na vodní hladinu prohlásíme, že je vodorovná.

Při pohledu z blízka však musíme svůj názor poopravit. Pro 1 mm velkého tvora tento meniskus představuje nepřekonatelný problém… Opravdu?

BruslařkaMarně se snažící

bruslařkaA jak to jde této?

Technika pohybu k převislé rostlině Technika pohybu k rostlině vyčnívající z vody.

Jak vychylují hladinu různé druhy hmyzu: černé body ukazují prohnutí hladiny dolů, světlé nahoru

Proč se předměty na hladiněpřitahují

Hladina změní svůj tvar, aby zaujala co nejmenší povrch =>zarovná se a mince se k sobě začnou pohybovat

Kapilární tlak

• Pod zakřiveným povrchem kapalin při stěnách nádoby, v kapilárách, u kapek a bublin vzniká v kapalině přídavný tlak KAPILÁRNÍ TLAK, který je způsoben pružností povrchové vrstvy

• POD DUTÝM POVRCHEM JE VNITŘNÍTLAK MENŠÍ A POD VYPUKLÝM VĚTŠÍ

Kapilární tlak

• Pod kulovým povrchem či vrchlíkem (bubliny, kapky, v kapilárách) je přetlak

• U bubliny, která má 2 povrchy je přetlak(povrch jako pružná blána se snažízmenšit)

Rpk

σ2=

Rpk

σ4=

Může být i podtlak!

Tvary bublin

• Díky závislosti tlaku na průměru mají malébubliny téměř sférický tvar (a stoupají k hladině přímočaře) – pivo.

• Větší hydrostatický tlak je deformuje, vznikají za nimi víry - sodovka, potápěči…

Tvoření pěny

Pěna na mléce

Kapilární jevy

• Kapilára = trubice malého vnitřního průměru (spáry v omítce, cévy rostlin, beton, knot =>VZLÍNÁNÍ)

• KAPILÁRNÍ ELEVACE a KAPILÁRNÍ DEPRESE• ZAKŘIVENÍ POVRCHU KAPALINY U STĚN

NÁDOBY• TVOŘENÍ BUBLINEK A PĚNY NA POVRCHU

KAPALINY

Kapilární elevace• díky kapilární mu tlaku• snížení tlaku uvnitř trubice (nad hladinou) - dutý povrch

Rpk

σ2=

R – poloměr kulovéplochy (poloměr kapiláry)

Kapilární deprese• zvýšení tlaku uvnitř trubice (nad hladinou) - vypuklý

povrch

Rpk

σ2=

R – poloměr kulovéplochy (poloměr kapiláry)

Tvoření kapek• Kondenzační jádro –

smáčitelná částice o rozměrech 10-6 m a menším

• Poloměr R velmi malý =>velký přetlak či podtlak nad povrchem kapaliny

• Při daném tlaku může vzduch obsahovat pouze danémnožství páry a ta kondenzuje (při podtlaku)

• Pára se vysokým tlakem měnína vodu (přetlak)

Kondenzační jádro

Přetlak

Podtlak

Mytí

• Voda se díky povrchovému napětí ráda „distancuje“ od okolních předmětů, pak se takénemůže dostat ke špíně, která lpí na tkaninách a jiných pevných tělesech.

• Velké povrchové napětí ztěžuje proces smáčení. Například destilovaná voda smáčí tkaninu velmi špatně. To je jeden z důvodů, proč se při pranínebo mytí nádobí přidávají do vody prací a mycíprostředky, které svými látkami - tzv. tenzidy -smáčení usnadňují.

Tuk na kovu Rozhraní tuku a mycího prostředku

Reakcí mycího prostředku s tukem vzniká kulička

TEPLOTNÍ OBJEMOVÁROZTAŽNOST KAPALIN

= při změně teploty se mění objem kapaliny

( )TVV ∆+= .112 β vztah pro malé rozdíly teplot

β… součinitel teplotní objemovéroztažnosti kapalin (závisí na teplotě) [β] = K-1

voda při 20°C β = 1,8.10-4 K-1

petrolej β = 9,6. 10-4 K-1

Využití

• kapalinové teploměry• změna hustoty

Kapalinové teploměry Změna hustoty

( )T∆−= .112 βρρ

Anomálie vody

• 0°C – 4°C – snižování objemu =>zvyšování hustoty

• 4°C a více – růst objemu => snižováníhustoty

• důležité pro vodní život