PHYSICS

Struktura a vlastnosti kapalin

May 26 2020 [Edit]

Vlastnosti ideálních kapalin
Povrchová vrstva kapaliny
Kapilární tlak
- Kapilární elevace a deprese
Teplotní objemová roztažnost kapalin
- Využití
- Závislost hustoty na teplotě
Anomálie vody

Vlastnosti ideálních kapalin

Stálý objem
Tvar podle nádoby
Nestlačitelné
Molekuly neuspořádaně kmitají s frekvencí 10 $^{12}$ Hz
malé vzdálenosti mezi molekulami - řádově 1 nm

Povrchová vrstva kapaliny

Kolem molekuly kapaliny je tzv. Sféra vzájemného molekulového působení
Povrchová vrstva – vrstva molekul, jejíž vzdálenost od volného povrchu kapaliny je menší než poloměr sféry molekulového působení, přitažlivá síla míří dovnitř kapaliny
Povrchová energie – v důsledku existence povrchového napětí se tvoří tzv povrchová energie

Povrchová vrstva kapaliny

Povrchová síla

Povrchová síla leží v povrchu kapaliny
Na obrázku lze vidět že když uvolníme příčku tak se blána smrskne v důsledku této síly

Povrchová síla

Povrchové napětí

Skalární veličina, kterou vyjadřujeme pružnou vlastnost povrchové vrstvy.

\sigma = \frac{\vec F}{l}

$\sigma$ - povrchové napětí [Nm $^{-1}$ ]
$\vec F$ - povrchová síla [N]
$l$ - délka obvodu povrchu kapaliny [m]

Styk kapaliny se stěnou nádoby

Smáčí	Nesmáčí	Klid


Voda ve skle	Rtuť ve skle

Stykový úhel

Úhel $\Theta$ se nazývá stykový úhel (pokud $\Theta$ = 0; kapalina dokonale smáčí stěnu)

Stykový úhel

Kapilární tlak

Vzniká v důsledku zakřivení povrchu kapaliny. Pokud má-li kapaliny jeden volný povrch, pak platí vztah:

p_k =\frac{2\sigma}{R}

Má-li kapalina dva volné povrchy (mýdlová bublina) pak platí:

p_k =\frac{4\sigma}{R}

Kapilární elevace a deprese

Trubičky s poloměrem okolo 1 mm se nazývají kapiláry. Povrch smáčející kapaliny je výše, než je hladině této kapaliny v široké nádobě, a to o výšku $h$ . Jev při kterém se voda dostává vzhůru se nazývá vzlínání. Pro $h$ platí:

h = \frac{2\sigma}{r\rho g}

$h$ - rozdíl hladiny kapaliny mimo kapiláru a hladiny kapaliny v kapiláře [m]
$\sigma$ - povrchové napětí [Nm $^{-1}$ ]
$r$ - poloměr kapiláry [m]
$\rho$ - hustota kapaliny [kg.m $^{-1}$ ]
$g$ - tíhové zrychlení [m.s $^{-2}$ ]

kapilára

Kapilarita v praxi
- Vzlínavost vody umožňuje výživu stromů až do několika metrů
- Voda vystupuje z hloubky zeminy tenkými kapilárami do půdy, kde zavlažuje rostliny
- Vlhkost v domě - důsledek vzlínání kapaliny

Teplotní objemová roztažnost kapalin

U většiny kapalin jejich objem roste s rostoucí teplotou. Teplotní roztažnosti se využívá u kapalinových teploměrů. Platí:

V = V_1 (1 + \beta \Delta t )

$V$ - výsledný objem [m $^3$ ]
$V_1$ - původní objem [m $^3$ ]
$\beta$ - teplotní součinitel objemové roztažnosti [K $^{-1}$ ]
$\Delta t$ - rozdíl teploty kapaliny [K]

Využití

Teplotní roztažnosti se využívá v kapalinových teploměrech
Využívá se jí také u termostatických ventilů
Nádrž by se kvůli teplotní roztažnosti nikdy neměla nechávat plná

Závislost hustoty na teplotě

Se změnou teploty se mění objem, tudíž se mění i hustota kapaliny. Platí:

\rho \approx \rho_1(1-\beta \Delta t)

Anomálie vody

Zahříváme-li vodu z teploty 0°C na teplotu 4°C, zmenšuje se její objem
Hustota dosahuje nejvyšší hodnoty při 4°C (999,97 kg.m $^{-3}$ )
V důsledku anomálie vody se ve vodních nádržích v zimě tvoří vrstvy vody s různými teplotami – na povrchu je voda chladnější než u dna. To umožňuje vodním živočichům přežít zimu.