KAPALINY. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Termika - 2. ročník

Transkript

1 KAPALINY Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Termika - 2. ročník

2 Kapaliny Krátkodosahové uspořádání molekul. Molekuly kmitají okolo rovnovážných poloh. Při zvýšení teploty se zmenšuje doba setrvání v rovnovážné poloze - kapalina se jeví tekutější. Značné mezi-molekulové přitažlivé síly.

3 Povrchová vrstva Povrch kapaliny se chová jako tenká pružná blána. Každá molekula působí do nějaké vzdálenosti - sféra molekulového působení - za touto sférou síly zanedbáváme.

4 Povrchová vrstva Vrstva molekul, jejich vzdálenost od volného povrchu kapaliny je menší než poloměr sféry molekulového působení se nazývá povrchová vrstva. Na každou molekulu ležící v povrchové vrstvě kapaliny působí sousední molekuly výslednou přitažlivou silou směřující do kapaliny.

5 Povrchová energie Molekuly v povrchové vrstvě mají nižší potenciální energii než molekuly uvnitř objemu. Tento rozdíl energií nazýváme povrchová energie. Vlivem povrchových sil a povrchové energie nabývá kapalina vždy takového tvaru, aby za daného objemu měla co nejmenší povrch.

6 Povrchová síla Jde o sílu, která způsobuje zmenšování povrchu kapaliny ( v souvislosti s povrchovou energií ).

7 Povrchové napětí 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 Jednotkou povrchového napětí je N m -1 Přidáním saponátu nebo prášku se sníží povrchové napětí a těleso se tak lépe v dané kapalině smáčí.

8 Příklad 1 Tlustostěnnou kapilárou vnějšího průměru 3,41 mm odkapalo 100 kapek vody o teplotě 15 C o celkové hmotnosti 8,11 g. Určete povrchové napětí vody ve styku se vzduchem při dané teplotě.

9 Příklad 2 Z úzké tlustostěnné kapiláry odkapalo 100 kapek vody o celkové hmotnosti 5 g. Stejnou kapilárou za stejné teploty odkapalo 50 kapek glycerinu celkové hmotnosti 2 g. Jaký je poměr povrchových napětí obou kapalin při téže teplotě?

10 Jevy na rozhraní pevného tělesa a kapaliny Kapalina smáčí stěny nádoby vs. kapalina nesmáčí stěny nádoby.

11 Jevy na rozhraní pevného tělesa a kapaliny F 1 - přitažlivá síla mezi stěnou nádoby a molekulou F 2 - přitažlivá síla mezi kapalinou a molekulou Přitažlivé síly vzduchu a molekuly a gravitační sílu lze zanedbat.

12 Jevy na rozhraní pevného tělesa a kapaliny pokud síla F působí ven z kapaliny volný povrch je dutý pokud síla F působí dovnitř kapaliny volný povrch je vypuklý síla F svírá se stěnou nádoby úhel ϑ - tzv. stykový úhel ϑ = 0 - kapalina dokonale smáčí stěny ϑ = 90 - kapalina dokonale nesmáčí stěny pro reálné kapaliny 0 < ϑ < 90, resp. 90 < ϑ < 180

13 Kapilární tlak Pod zakřiveným povrchem kapaliny při stěnách nádoby, v kapilárách, u kapek a bublin vzniká v kapalině přídavný tlak, který je způsoben pružností povrchové vrstvy - kapilární tlak. Pod dutým povrchem je kapilární tlak menší než pod vodorovným povrchem ( právě o kapilární tlak ). Pod vypuklým povrchem je kapilární tlak větší než pod vodorovným povrchem ( právě o kapilární tlak ).

14 Kapilární tlak Pro povrch kapaliny tvaru koule platí: p k = 2σ R Pro kulovou bublinu se dvěma povrchy platí: p k = 4σ R

15 Kapilární jevy Kapilára - trubice velmi malého vnitřního průměru. Kapilární elevace vs. kapilární deprese

16 Příklad 3 Jaký je přetlak uvnitř mýdlové bubliny o průměru 2 cm, je-li povrchové napětí mýdlového roztoku 0,04 Nm -1?

17 Kapilární jevy Tyto jevy jsou spojeny s existencí kapilárního tlaku. U kapilární elevace je povrch kapaliny dutý, pod povrchem je tedy tlak menší než pod rovným povrchem v okolí kapiláry - hydrostatický tlak vyvolaný sloupcem kapiláry tento rozdíl vyrovnává. U kapilární deprese jde o stejný princip.

18 Kapilární jevy Pro výšku, do jaké hladina kapaliny v kapiláře vystoupá, platí: h = 2σ ρgr

19 Příklad 4 V kapiláře o vnitřním poloměru 0,5 mm vystoupil ethylalkohol do výšky 11,4 mm. Hustota ethylalkoholu je 790 kg m -3. Určete povrchové napětí ethylalkoholu za předpokladu, že zcela smáčí stěny kapiláry.

20 Příklad 5 Do vody jsou svisle ponořeny dvě skleněné kapiláry o vnitřních poloměrech 0,4 mm a 1 mm. Určete povrchové napětí vody, je-li rozdíl hladin v kapilárách 2,2 cm.

21 Teplotní objemová roztažnost U většiny kapalin se s rostoucí teplotou zvětšuje objem. Pro velikost objemu platí: V =V 0 (1 + βδt) β - teplotní součinitel objemové roztažnosti kapaliny Jednotkou je 1 K -1 Tabulková hodnota, obecně větší než u pevných látek

22 Teplotní objemová roztažnost Při velkých tepelných změnách je třeba uvažovat modifikovaná vzorec ve tvaru: V =V ( 0 1+ β 1 Δt + β 2 (Δt) 2 ) Rtuťové a lihové teploměry, termostatické ventily

23 Teplotní objemová roztažnost Při změně teploty dochází také ke změně hustoty, která je dána přibližným vztahem: ρ ρ 0 ( 1 β 1 Δt)

24 Anomálie vody Voda tvoří z hlediska teplotní objemové roztažnosti výjimku. Při zahřívání z 0 C na 4 C zmenšuje svůj objem. Od teploty 4 C ( přesně 3,98 C ) jej pak zvětšuje. Při 4 C má tedy voda nejmenší objem a tedy největší hustotu.

25 Příklad 6 V nádobě je etanol o objemu 2,5 l a teplotě 0 C. O kolik se zvětší objem etanolu, zahřejeme-li ho na teplotu 31 C? Součinitel teplotní objemové roztažnosti etanolu je 1, K -1.

26 Příklad 7 Rtuť má při teplotě 10 C hustotu kg m -3. Při jaké teplotě bude hustota kg m -3? Součinitel teplotní objemové roztažnosti rtuti je 1, K -1.