Struktura a vlastnosti kapalin
Struktura kapalin je podobná struktuře amorfních látek. Každá částice kmitá kolem rovnovážné polohy a po době řádově 1 ns zaujme novou rovnovážnou polohu kvůli změnám kinetické energie molekul.
Střední vzd. mezi mol. jsou přibližně stejné, jako mezi částicemi pevné látky. Molekuly kapaliny proto na sebe působí značnými přitažlivými silami. Ty mají vliv na vlastnosti kapaliny a především na její povrchovou vrstvu.
Povrchová vrstva kapaliny
Vzáj. působení mol. uvnitř kap. a v blízkosti jejího povrchu je rozdílné. Jestliže kolem mol. kap. uvažujeme sféru vzájemného molekulového působení ? kouli o poloměru rm pak podle tohoto přitažlivého působení můžeme rozlišit na:
Je-li molekula a její sféra molekulového působení uvnitř kapaliny(obr.3-37 ? K1-2), pak výslednice přitažlivých sil, jimiž molekuly v této sféře působí na uvažovanou molekulu, je nulová. Pokud je střední vzdálenost molekuly od povrchu menší než rm , výslednice sil je kolmá k volnému povrchu kapaliny a směřuje dovnitř.Molekuly vzduchu a páry nad kapalinou působí na uvažované molekuly výslednou přitažlivou silou F? opačného směru. Protože je ale hustota molekul plynu většinou mnohem menší než hustota molekul kapaliny, je síla F?<< F.
Nazveme-li vrstvu molekul, jejichž vzd. od povrchu kapaliny je menší než rm , povrchovou vrstvou, pak můžeme předchozí shrnout na :
Na každou molekulu ležící v povrchové vrstvě kapaliny působí sousední molekuly výslednou přitažlivou silou, která má směr dovnitř kapaliny.
Při posunutí molekuly z vnitřku kapaliny do její povrchové vrstvy je nutno vykonat práci k překonání určité síly. Proto molekuly v povrchové vrstvě mají větší potenciální energii, než by měli uvnitř kapaliny. Povrchové vrstvě přiřazujeme tzv. povrchovou energii. Ta je jednou ze složek vnitřní energie kapaliny.
V rovnov. stavu je povrchová energie minimální. Protože při daném objemu má ze všech těles právě koule nejmenší obsah zaujímají kapky kulovitý tvar. Je-li kapka větší její tvar je deformován tíhovou silou a silou podložky (třeba vzduchu, kterým prolétává, nebo když se rozprskne na podlaze).
To že se kapalina drží v kapkách můžeme chápat tak, že povrchová vrstva vytváří pružnou blánu a má snahu se smrštit na plochu s nejmenším obsahem. Tato pružná blána na sobě tedy unese např. jehlu, žiletku, aj pětikachli (když je to pivo). V přírodě toho využívá vodoměrka k udržení se na hladině.
Povrchová síla, povrchové napětí
Ponoříme-li drátěný rámeček s pohyblivou příčkou AB do mýdlového roztoku, vytvoří se na něm po vytažení tenká kapalinová blána s povrchovými vrstvami na obou stranách. Pozorujeme, že blána se stahuje a táhne za sebou i příčku AB. Je tomu tak proto, že na příčku AB působí v každém povrchu (blána má 2) kolmá síla F. Síla leží v povrchu kapaliny a proto se nazývá povrchová síla(obr.3-38)
Velikost povrchové síly lze určit experimentálně. Rámeček dáme do svislé polohy a na příčku AB dáme závaží. V rovnovážném stavu pak působí na příčku tíha závaží G svisle dolů a povrchová síla 2F (dva povrchy) svisle vzhůru. Jestliže je příčka v klidu, platí F = 1/2 G.
Provedeme-li pokus s rámečky, které mají různou délku, zjistíme, že velikost povrchové síly je přímo úměrná délce příčky. Z toho vyplývá definice povrchového napětí ó
Povrchové napětí ó se rovná podílu velikosti povrchové síly F a délky l okraje povrchové blány, na který povrchová síla působí.
– matematicky ho zapisujeme takto
Povrchové napětí kapaliny vůči danému prostředí je skalární veličina vyjadřující pružnou vlastnost povrchové vrstvy. Hlavní jednotkou je N . m ? 1
Povrchové napětí závisí na druhu kapaliny a na prostředí nad povrchem kapaliny. S rostoucí teplotou povrchové napětí klesá.
Styk kapaliny se stěnou nádoby
Při styku kapaliny se stěnou nádoby se uplatňuje nejen vzáj. působení mezi molekulami kapaliny, ale i částicemi stěny nádoby a částicemi plynů nad povrchem kapaliny. To má za následek pozorovatelné zakřivení hladiny kap. v blízkosti stěny(obr.3-40)
Jev je vysvětlen na obr.3-41. Na každou molekulu kapaliny ležící v povrchové vrstvě na rozhraní kapaliny, stěny a plynného prostředí působí síla F1 od částic stěny nádoby a F2 od molekul kapaliny, síla F3 od molekul plynu a tíhová síla FG. Zanedbáme-li síly F3 a FG ve srovnání s velikostmi sil F1 a F2, můžeme uvažovat směr výslednice F = F1 + F2, na který musí být povrch kapaliny v rovnovážném stavu kolmý. Mohou nastat 3 případy:
a) síla F směřuje z kapaliny, kapalina smáčí stěnu, povrch je dutý u stěny. Např. voda, nebo líh v čisté skleněné nádobě, rtuť v nádobě měděné.(3-41a)
b) síla F směřuje do kapaliny, kapalina nesmáčí stěnu, povrch je u stěny vypuklý. Rtuť v čisté skleněné nádobě, nebo líh v mastné skl.(3-41b)
c) síla F je rovnoběžná se stěnou, povrch kapaliny zůstává rovný(3-41c)
Úhel q [théta], který svírá povrch kap. s povrchem stěny, nazýváme stykový úhel. Je-li roven 0, kapalina dokonale smáčí stěnu, pro dokonale nesmáčející kap. je q = đ. Pro skutečné kapaliny je 0 < q < 1/2 đ nebo 1/2đ < q < đ. Je/li q = 1/2 đ je povrch kapaliny nezakřivený.
Možné případy tvaru kapky na vodorovné podložce jsou znázorněny na obr.3-42: kapka smáčí (a), nesmáčí (b), rozteče se na monomolekulární vrstvu (c). Tak se chová i kapka jedné kap. na kap. druhé.
Kapilární tlak
Zakřivení povrchu kapaliny při stěnách nádoby, v kapilárech, u kapek a bublin způsobuje vznik přídavného tlaku v kapalině. Ten se nazývá kapilární tlak. Pod vypuklým (dutým) povrchem kapaliny je tlak ve srovnání s vodorovným povrchem větší (menší) o kapilární tlak pk .
Má-li volný povrch kapaliny tvar kulového vrchlíku (resp. koule u kapky, bubliny), je kapilární tlak pk dán vztahem , kde ó je povrchové napětí kapaliny a R poloměr kulového povrchu.
U tenké bubliny s dvěma povrchy (např. mýdlové bubliny poloměru R) platí vztah
Pokusně lze dokázat podle obr.3-43
Kapilární elevace a deprese
Úzké trubičky s poloměrem kolem 1 mm a menším se nazývají kapiláry. Povrch ideálně smáčející (nesmáčející) kapaliny v kapiláře o vnitřním poloměru R je výše (níže), než hladina této kapaliny v široké nádobě, a to o výšku h, resp. h? (obr.3-44) Pro výšku h platí , kde ń je hustota kapaliny, ó povrchové napětí a g tíhové zrychlení.
Zvýšení volné hladiny kapaliny v kapiláře se nazývá kapilární elevace. Snížení volné hladiny je kapilární deprese. Kapilární depresi a elevaci souhrnně říkáme kapilarita způs. kapilárním tlakem.
Kapilární elevací se nasává petrolej nebo líh do knotů. Voda vzlíná při špatných základech do stěn domu a vzlínavostí pronikají i živné roztoky z kořenů až do vrcholků rostlin.
Teplotní a objemová roztažnost
Při změně teploty kap. se mění její objem. U většiny kap. jejich objem roste s jejich teplotou. Pro nepříliš velké teplotní rozdíly je objem V kapaliny za stálého tlaku určen přibližně V = V1(1+âDt), kde Dt = t ? t1 je změna teploty, V1 počáteční objem kapaliny při teplotě t1 a â je teplotní součinitel objemové roztažnosti kapaliny. Je větší u kapalin, než u pevných látek.
Závislost hustoty na teplotě
Je-li ń1 hustota kap. při teplotě t1 , â teplotní součinitel objemové roztažnosti kapaliny, pak hustotu ń při teplotě t určíme vztahem ń = ń1 (1 ? â D t) , kde Dt = t – t1 je změna teploty
Anomálie vody
Voda je mezi kapalinami výjimkou z hlediska závislosti jejího objemu na teplotě. Zahříváme-li vodu z 0oC na 4oC, zmenšuje se její objem a naopak její hustota roste a ve 4oC dosahuje max. hustoty 1000 kg . m ? 3. Teprve od teploty 4oC se objem vody zvětšuje, takže hustota se zmenšuje. Tato odlišná závislost V (t), resp. ń(t), v porovnání s ostatními kap. se nazývá anomálie vody.
Vypařování a kapalnění
Vypařováním nazýváme přechod l. ze skupenství kapalného do skupenství plynného. Dochází k tomu z jejího povrchu při libovolné teplotě. Soubor mol. vyletujících z kap. při vypařování je pára dané kapaliny.
Z povrchu kap. vyletují mol., které mají velkou enegii na překonání jejich vzáj. síly s ostatními mol. Nejrychlejší mol. opouštějí kap., zmenšuje se jejich střední kinetická energie, což má za následek pokles teploty vypařující se kap. Mol. kapalinu opouští kvůli přebytečné kinetické energii. Zvětšují tím však svou potenciální energii a proto vnitřní energie páry je větší než vnitřní en. kapaliny.
Chceme-li kapalinu dané hmotnosti m přeměnit na páru téže teploty, musí kapalina přijmout skupenské teplo vypařování L v .
Veličina lv je definovaná je měrné skupenské teplo vypařování s hlavní jednotkou J.Kg ? 1
Z měření vyplývá, že lv s rostoucí teplotou klesá.
Zahříváme-li kapalinu, vytvářejí se při určité teplotě bublinky. Bubliny zvětšují svůj objem a vystupují k volnému povrchu kap. Tento proces vypařování kap. nejen z jejího povrchu, ale i zevnitř nazýváme var kapaliny. Teplota při němž nastává se nazývá teplota varu. uvádí se tzv. normální teplota varu, která je za norm. tlaku(101,325 Pa)
Teplota varu je závislá na vnějším tlaku. S rostoucím tlakem se zvětšuje.
Závislosti teploty varu kap. na tlaku nad povrchem kapaliny se využívá v techn. praxi i v domácnosti. Používají se k tomu tlakové nádoby.
Měrné skupenské teplo varu se rovná měrnému skupenskému teplu vypařování při teplotě varu kapaliny.
Obrácený děj k vypařování je kapalnění (kondenzace), při kterém pára v důsledku zmenšování objemu, nebo snížením teploty kapalní. Při něm se zpětně uvolňuje skupenské teplo kondenzační, které je rovno měrn. skup. teplu vypařování.
Kapalnění může nastat na povrchu kap., na povrchu pevn. tělesa nebo ve volném prostoru. Mol. se spojují v kapičky, které postupně rostou.
Sytá pára
Vypařuje-li se kapalina (dostatečného objemu) v uzavřené nádobě (obr.3-46a), přestane se po určité době objem kap. zmenšovat a objem páry zvětšovat. Vytvoří se rovnovážný stav, kdy počet mol. opouštějících povrch kap. je roven počtu mol.vracejících se zpět do kapaliny.
Pára, která je v rovnovážném stavu se svou kapalinou, se nazývá sytá pára. Tlak syté páry závisí pouze na jejím chem. složení a na teplotě. Nezávisí při stálé teplotě na objemu páry.
Zvýšíme-li teplotu kap. a syté páry, zvětší se vnitřní en. soustavy. Další část kap. se vypaří, čímž vzroste hustota mol. páry. Obě změny způsobí růst tlaku syté páry.
Graf závislosti tlaku syté páry na teplotě se nazývá křivka syté páry.
Tato závislost (obr.3-48) není lineární a je pro různé látky jiná. Každý bod křivky syté páry odpovídá jedinému stavu syté páry a současně kapaliny, která je v ní v rovnovážném stavu. Tento stav je určen teplotou T a tlakem ps.
Při zvětšování teploty T rovnovážné soustavy kapalina a její sytá pára roste hustota pára a klesá hustota kapaliny. Při tzv. kritické teplotě TK jsou si hustoty rovny. Mezi kap. a párou zmizí rozhraní a soustava se stane stejnorodou. Při T > TK již neexistuje l. v kap. sk. Proto konči křivka v bodě K.
Koncový bod křivky nazýváme kritický bod a znázorňuje kritický stav látky. Tento stav je popsán kritickou teplotou TK, kritickým tlakem pK a kritickým objemem VK. Také se uvádí místo tlaku kritická hustota ńK = m / VK. Kritické hodnoty jsou charakteristické konstanty pro každou látku.
Přehřátá pára
získává se dvěma způsoby z páry syté
a) zvětšením objemu syté páry bez přítomnosti kapaliny
b) zahříváním syté páry bez přítomnosti kapaliny
Přehřátá pára je pára, která má nižší tlak a hustotu než sytá pára.
Pro přehřátou páru platí přibližně stavová rovnice ideálního plynu.
Vodní pára v atmosféře
Je-li ve vzduchu o objemu V obsažena vodní pára hmotnosti m, pak veličina defin. se nazývá absolutní vlhkost vzduchu [fí] . Je to hustota vodní páry obsažené ve vzduchu.
Relativní vlhkost vzduchu ö [fí] nazýváme poměr absolutní vlhkosti vzduchu Ö [velké fí] při dané teplotě a absolutní vlhkosti vzduchu Öm, při které je za této teploty vodní pára ve vzduchu sytou párou.
Absolutní vlhkost lze pozorovat i podle tlaku vodní páry. potom lze napsat ö = p / ps
Zpravidla se vyjadřuje v % a suchý vzduch má 0% a vzduch se sytou párou 100%. Optimální hodnota pro život je 50-70%. Relativní vlhkost měříme vlhkoměry. Např. vlasový vlhkoměr, využívající jevu, že lidský vlas mění při změně vlhkosti svou délku.
Vlhkost lze také charakterizovat rosným bodem. Je to stav popsaný teplotou, na kterou by bylo potřeba izobaricky ochladit vzduch, aby se vodní pára stala sytou vodní párou. Při dalším snížení teploty sytá vodní pára kapalní-vzniká rosa, mlha a ve větších výškách mraky. je-li teplota rosného bodu nižší než 0oC, vzniká jinovatka, popř. sníh.