LOGO. Struktura a vlastnosti kapalin

Transkript

1 Struktura a vlastnosti kapalin

2 Povrchová vrstva kapaliny V přírodě velmi často pozorujeme, že se povrch kapaliny, např. vody, chová jako pružná blána, která unese např. hmyz

3 Vysvětlení: Molekuly kapaliny na sebe působí přitažlivými silami. Aby ale na sebe dvě molekuly působily, musí být blíže než asi 1 nm. Všechny molekuly, které na danou molekulu působí, tedy leží v kouli o poloměru 1 nm - v tzv. sféře molekulového působení (SMP).

4 Sféra molekulového působení r = 1 nm M cca 10 5 molekul

5 Sféra molekulového působení Je-li celá SMP dané molekuly v kapalině, pak je výsledná síla, kterou na ni působí okolní molekuly, nulová. F 1 F 2 M F 3 F 1 F 2 F

6 Sféra molekulového působení Je-li však molekula na povrchu kapaliny anebo blízko pod ní, má tato výslednice nenulovou hodnotu a směřuje do kapaliny. M F 1 F 2 F F 3 F 1 F 2 F

7 Sféra molekulového působení Tyto síly vyvolávají tzv. kohezní tlak, jehož velikost se odhaduje na cca 1000 MPa. p = 10 9 Pa

8 Sféra molekulového působení Ty mezimolekulové síly, jež jsou s povrchem rovnoběžné, jsou pak příčinou jeho pružnosti.

9 Povrchová síla Povrchová vrstva kapaliny působí na pohyblivou příčku drátěného rámečku povrchovou silou, která je kolmá k příčce. A drátěný rámeček F F povrchová síla mýdlový roztok B AB pohyblivá příčka

10 Povrchová síla Velikost povrchové síly je přímo úměrná délce příčky (l). Konstantou úměrnosti je povrchové napětí (). To charakterizuje kapalinu. F l Nm 1 Povrchová vrstva má potenciální energii E, která je přímo úměrná jejímu obsahu S. E S

11 Povrchová vrstva Každý systém se snaží přejít do stavu s minimální potenciální energií. Povrchová vrstva má tedy minimální plochu. Proto má kapalina v beztížném tvar koule.

12 Některé hodnoty povrchového napětí: rozhraní /mnm -1 voda - vzduch 73 ethanol vzduch 23 voda parafínový olej 38 rtuť - vzduch 476

13 Povrchové napětí Hodnotu povrchového napětí můžeme ovlivnit: teplotou studený x horký olej přidáním detergentu, tj. smáčedla, nebo saponátu (tenzidu). Např. mýdlový roztok má povrchové napětí pouze asi 30 mn.m-1.

14 Saponáty A tak např. při praní prádla v teplé vodě s detergentem, částice špíny lépe procházejí povrchovou vrstvou a jsou odplavovány. čistá voda voda s detergentem

15 JEVY NA ROZHRANÍ PEVNÉHO TĚLESA A KAPALINY

16 Kapalina smáčí stěny nádoby. Nalijeme-li vodu do skleněné nádoby, tak se u její stěny vytváří dutý povrch. stykový úhel = 0 o dokonale smáčivá kapalina = 8 0 voda ve skleněné nádobě

17 Kapalina stěny nádoby nesmáčí. Zopakujeme-li to se rtutí, tak se vytvoří vypuklý povrch. = 180 o dokonale nesmáčivá kapalina = rtuť ve skleněné nádobě

18 Vysvětlení U stěny se stýkají tři prostředí (např. sklo, voda a vzduch); vznikají tři povrchové vrstvy (vzduch kapalina, vzduch sklo, sklo kapalina). Na daný úsek hladiny tedy působí tři povrchové síly, které zakřivují povrch kapaliny. Podle směru výslednice se zakřiví povrch kapaliny

19 sklo (1) Smáčení F 12 vzduch (2) F 12 F 13 F 23 F 12 F 13 F y F F F y voda (3)

20 Nesmáčení sklo (1) vzduch (2) F 13 F 23 F 23 F y F 13 F 12 F 13 F y F 12 rtuť (3) F 12

21 Povrchové jevy Kapky smáčivé kapaliny přilnou k podložce, nesmáčivé nikoli.

22 Kapilární tlak Zakřivení povrchu kapaliny (u stěn nádoby, v bublině, kapce anebo kapiláře) způsobuje vznik přídavného tlaku, který se nazývá kapilární (p k ).

23 kapilární tlak v kapce a bublině: S r S r p k 2 r p k 4 r

24 Kapilární jevy Ponoříme-li do kapaliny tenkou trubici (kapiláru), mohou nastat dva případy: Povrch kapaliny v kapiláře se zakřiví do tvaru dutého vrchlíku a hladina v ní bude výše než v okolí. Mluvíme o kapilární elevaci. dutý vrchlík vzestup hladiny (h)

25 Kapilární jevy Povrch kapaliny v kapiláře se zakřiví do tvaru vypuklého vrchlíku a hladina v ní bude níže než v okolí. To je kapilární deprese. pokles hladiny (h) dutý vrchlík

26 Kapilární tlak Vzestup či pokles hladiny kapaliny v kapiláře je způsoben kapilárním tlakem p k. Kapalina stoupá, resp. klesá tak dlouho, dokud se tlak kapilární nevyrovná tlaku hydrostatickému (p h ). p k p h 2 r p k p h g h p h p k h 2 r g

27 Kapilární elevace

28 Kapilární elevace mezi dvěma skleněnými deskami

29 Kapilární jevy v praxi Voda vzlíná tenkými kapilárami v půdě, ve zdivu a jiných pórovitých materiálech, cévami rostlin atd. Horký parafín nebo petrolej je nasáván do knotů atd.

30 TEPLOTNÍ OBJEMOVÁ ROZTAŽNOST KAPALIN

31 Teplotní objemová roztažnost kapalin Zahříváme li kapalinu, tak se její objem zvětšuje; ochlazujeme li kapalinu, tak se její objem zmenšuje. Tento jev nazýváme teplotní objemovou roztažností kapalin. Objem kapaliny je pak lineární funkcí změny teploty: V 1 V 0 1 T V 0 objem před změnou teploty V 1 objem po změně teploty teplotní součinitel objemové roztažnosti kapalin [] = K -1

32 Porovnání teplotní roztažnosti Různé kapaliny mají i různé větší než látky pevné, ale menší než látky plynné. č. látka /.10-5 K -1 1 železo 7,2 2 voda 18,0 3 petrolej 96,0 4 líh 110,0 5 plyny 366,3

33 Změna hustoty s teplotou Jestliže objem kapaliny roste se zvyšující se teplotou lineárně, pak její hustota lineárně klesá, tj.: původní hustota T hustota po změně teploty

34 Anomálie vody Jedinou výjimkou je voda, jejíž objem klesá v teplotním intervalu 0 C až 4 C a teprve od teploty 4 C opět roste. Největší hustotu má voda při 4 C, a proto se vždy nachází u dna. Je li pak vodní nádrž dostatečně hluboká, nikdy nezamrzne až ke dnu.

35 Anomálie vody