Zavádění inovativních metod a výukových materiálů do přírodovědných předmětů na Gymnáziu v Krnově. 06_5_ Struktura a vlastnosti kapalin

Transkript

1 Zavádění inovativních metod a výukových materiálů do přírodovědných předmětů na Gymnáziu v Krnově 06_5_ Struktura a vlastnosti kapalin Ing. Jakub Ulmann

2 5 Struktura a vlastnosti kapalin 5.1 Povrchové napětí 5.2 Jevy způsobené povrchovým napětím 5.3 Kapilární jevy 5.4 Teplotní roztažnost kapalin

3 Př. 1: Které základní poznatky o kapalném skupenství látek již známe? Střední vzdálenosti částic jsou malé, což způsobuje, že kapaliny jsou téměř nestlačitelné. Kapalina nedrží tvar (má tvar podle nádoby) a lze ji snadno dělit. Přitažlivé síly však způsobují povrchové napětí (kapky vody na stole apod.). Částice po sobě snadno kloužou, což díky gravitační síle způsobí, že kapalina tvoří vodorovnou hladinu.

4 Částice kmitají kolem svých poloh a zároveň zaujímají polohy nové (během nanosekund), přičemž s rostoucí teplotou setrvávají kratší dobu ve své poloze mají lepší tekutost. Hodnota celkové potenciální energie soustavy částic kapalného tělesa je srovnatelná s celková kinetickou energie těchto částic.

5 5.1 Povrchové napětí Pokus: mince na vodní hladině Mince plave. Musela se objevit další síla, která působí na minci směrem nahoru. Nejedná se o sílu vztlakovou. Vzájemné působení částic kapaliny Na každou částici působí částice v jejím bezprostředním okolí (řádově 1 nm, několik mezimolekulových vzdáleností).

6 Výsledná síla na částici u hladiny směřuje dovnitř do kapaliny krajní molekuly jsou vtahovány dovnitř (kam ale nemohou - už jsou tam jiné molekuly) kapalina se snaží zmenšovat svůj povrch (aby molekul na okrajích bylo co nejméně). Povrch kapaliny se chová jako tenká pružná blána. Molekuly v povrchové vrstvě mají větší potenciální energii než molekuly uvnitř kapaliny (povrchová energie). Kapalina má tendenci vytvářet kapky. Koule má při daném objemu nejmenší povrch. Z8c&feature=related

7 Bublina se snaží zmenšit, ale vevnitř je vyšší tlak.

8 Co udrželo minci na hladině? Mince při klesání do vody vytváří na hladině prohlubeň zvětšuje povrch kapaliny kapalina se snaží povrch opět zmenšit a prohlubeň zarovnat působí na minci směrem vzhůru a tím ji udrží na hladině. Proč kolmo položená mince klesne? Dotýká se povrchu kapaliny na menší ploše dokáže prorazit povrchovou vrstvu, pak už ji nic nenadlehčuje. Pokus: pevný rámeček s jednou pohyblivou příčkou Voda vytvoří blanku, která začne táhnout příčku nahoru (voda se snaží zmenšit svůj povrch). Můžeme měřit povrchovou sílu, kterou voda táhne za příčku.

9 Pokusem je možné zjistit, že povrchová síla blány na příčku, je přímo úměrná její délce. F l Sigma je konstanta úměrnosti, kterou nazýváme povrchové napětí. Př. 1: Urči jednotky, ve kterých se udává velikost konstanty σ ze vztahu pro velikost povrchové síly. Čím se liší od normálového napětí u pevných látek?

10 Př. 2: Proč jsme v pokusu s rámečkem použili místo čisté vody vodu s jarem? Př. 3: Urči sílu, kterou musíme držet příčku na rámečku, pokud se přidáním jaru snížilo povrchové napětí vody na čtvrtinu. Příčka rámečku má délku 7 cm.

11 Pokus: souprava Vernier povrchová síla na špejli a výpočet povrchového napětí Z vodovodního kohoutku odkapává voda. Kdy mají kapky větší hmotnost, je-li voda teplá, nebo studená? Na obdélníkovém drátěném rámečku s pohyblivou příčkou o délce 6 cm je napnuta mydlinová blána. Povrchové napětí mýdlového roztoku je 0,04 N m 1. Vypočtěte a) jak velkou silou udržíme příčku v rovnováze, b) jaký je přírůstek povrchové energie obou stran blány, posuneme-li příčku o 5 cm?

12 5.2 Jevy způsobené povrchovým napětím Pokus: směr síly Síla působí v rovině povrchu kapaliny. Domácí úkol: vystřelené a mlsné zápalky Foto na následující straně..

13

14 Př. 1: Sirka o délce 4 cm plave na povrchu vody. Jestliže na jednu stranu kápneme trochu mýdlového roztoku, začne se sirka pohybovat směrem k čisté vodě. Nakreslete situaci a určete velikost a směr síly působící na sirku. Povrchové napětí vody je 73 mn.m -1, mýdlového roztoku 40 mn.m -1.

15 Př. 2: Urči průměr vodní kapky v místě zaškrcení, pokud sto kapek má objem 7 ml. Povrchová síla vyrovnává sílu gravitační. Délka povrchu je obvod kapky v místě, kde se kapka utrhne.

16 Pokus: tlak v bublině Př. 3: Co se stane, propojíme-li dvě různé bubliny?

17 Co je to kapilární tlak? Je přídavný tlak, který vytváří povrchové napětí zakřiveného povrchu kapaliny. p k 2 R Vzorec pro jeho výpočet v bublině z bublifuku (2 povrchy): 4 p k R Př. 4: Urči přetlak (kapilární tlak) uvnitř mýdlové bubliny o průměru 8 cm. Předpokládej, že mýdlo zmenšilo povrchové napětí vody na třetinu normální hodnoty. Jaký přetlak bude uvnitř bubliny o průměru 2 cm?

18 Př. 5: Jaký tlak má vzduch v kulové bublině o průměru 10-3 mm v hloubce 5 m pod volnou hladinou vody, je-li atmosférický tlak hpa? Povrchové napětí vody ve styku se vzduchem je 73 mn. m -1. p k p h p a p p a p h p k

19 5.3 Kapilární jevy Pozorování: Hladina vody ve skleněné nádobě není u krajů vodorovná. Voda šplhá po stěnách nahoru. Dva základní druhy chování kapaliny v nádobě: Kapalina smáčí stěny nádoby. Například voda ve skle, líh ve skle, rtuť v mědi. Kapalina nesmáčí stěny nádoby. Například voda ve vosku, rtuť ve skle.

20 Př. 1: Na následujících obrázcích jsou nakresleny síly působící na jednu z krajních částic kapaliny. Modrá síla znázorňuje celkové působení ostatních částic kapaliny, černá síla znázorňuje celkové působení částic pevné látky. U každého obrázku najdi výslednou sílu a rozhodni, zda v tomto případě bude kapalina smáčet (nesmáčet) stěnu nádoby. Směřuje-li výslednice do kapaliny (první případ), nebude kapalina smáčet stěnu (rtuť ve skle). Výsledná síla bude kolmá na zakřivení kapaliny.

21 (théta) je stykový úhel mezi stěnou a kapalinou. Př. 2: Urči rozsahy hodnot stykového úhlu pro jednotlivé možnosti zakřivení povrchu kapaliny u stěny nádoby

22 Předchozí efekt se nejvíce projeví, pokud do kapaliny ponoříme tenkou dutou trubici (kapiláru). h Kapilární deprese (stlačení) Kapilární tlak v místech pod zakřivením je větší než pod vodorovným povrchem. Kapilární elevace (vyzdvižení) Kapilární tlak v místech pod zakřivením je menší než pod vodorovným povrchem. Rozdíl vyrovnává hydrostatický tlak: p p hg k h

23 3.144 V kapiláře o vnitřním poloměru 0,50 mm vystoupil etylalkohol do výšky 11,4 mm. Hustota etylalkoholu je 790 kg m 3. Určete povrchové napětí etylalkoholu za předpokladu, že zcela smáčí stěny kapiláry.

24 3.143 V kapiláře o vnitřním poloměru r vystoupila kapalina o hustotě r a povrchovém napětí σ do výšky 4 mm nad úroveň volné hladiny. Určete a) do jaké výšky vystoupí v této kapiláře kapalina o dvojnásobné hustotě a stejném povrchovém napětí, b) do jaké výšky vystoupí kapalina o stejné hustotě a stejném povrchovém napětí v kapiláře o dvojnásobném poloměru, c) do jaké výšky vystoupí v kapiláře o poloměru r kapalina o hustotě r a povrchovém napětí 2.

25 Význam kapilárních jevů Př. 3: Po zasetí osiva se pole často válcují. Zkus vysvětlit.

26 Př. 4: Proč nebude fungovat perpetum mobile na obrázku?

27 5.4 Teplotní roztažnost kapalin Obdobně jako u pevných látek, při zvyšující se teplotě se zvyšuje objem kapaliny. V V 0 1 t Se změnou teploty se také mění hustota nepřímo úměrně. je teplotní součinitel objemové roztažnosti. 0,18

28

29 Př. 1: Urči, jak se změní objem 2 l vody, která se na slunci zahřeje z 10 C na 45 C. Př. 2: Najdi důvody, proč se ve venkovních teploměrech používá jako měřící kapalina líh místo vody. Je možné používat líh ve venkovních teploměrech na všech místech Země?

30 Pro hustotu platí přibližně vztah: 1 0 t Př. 4: Urči hustotu vody při teplotě 100 C. Ve skutečnosti bychom v tabulkách našli hustotu 958 kg m -3. Rozdíl ve výsledku je způsoben růstem koeficientu objemové roztažnosti s teplotou. Anomálie vody

31 Vysvětlení: Led má menší hustotu než voda. Při teplotách nižších než 4 C se ve vodě začnou vytvářet zárodky krystalků ledu, které zvětšují její objem a snižují její hustotu. Anomálie vody má velký význam v přírodě. Př. 5: Jaká je teplota ledu nahoře a na rozhranní s vodou?

32 Př. 8: Na trupech lodí bývá vyznačena čára ponoru (Load Line nebo Plimsoll Line). Tato značka není tvořena jednou čarou, ale systémem čar pro různé podmínky. Vysvětli, proč nestačí jedna čára a přiřaď k jednotlivým čarám jejich označení.

33 Autor prezentace a ilustrací: Ing. Jakub Ulmann Fotografie použité v prezentaci: Na snímku 1: Ing. Jakub Ulmann Na snímku 14, 29: Pokusy studentů

34 Použitá literatura a zdroje: [1] RNDr. Karel Bartuška, CSc., prof. RNDr. Emanuel Svoboda, CSc.: Fyzika pro gymnázia Molekulový fyzika a termika, Prometheus, Praha 2007 [2] Doc. RNDr. Oldřich Lepil, CSc., RNDr. Milan Bednařík, CSc., doc. RNDr. Miroslava Široká, CSc.: Fyzika Sbírka úloh pro střední školy, Prometheus, Praha 2010 [3] Doc. Dr. Ing. Karel Rauner, Doc. PaedDr. Václav Havel, CSc., RNDr. Miroslav Randa, Ph.D.: Fyzika 7 učebnice pro základní školy a víceletá gymnázia, Fraus, Plzeň 2005 [4] Mgr. Jaroslav Reichl: Klíč k fyzice, Albatros, Praha 2005 [5] Mgr. Jaroslav Reichl, [6] Mgr. Martin Krynický,