Štruktúra a vlastnosti kvapalín, Pascalov zákon

Štruktúra a vlastnosti kvapalín, Pascalov zákon

Fyzikálne vlastnosti všetkých látok závisí na ich štruktúre, inak sa správajú pevné látky, inak kvapaliny a inak plyny.

Tekutiny - súhrnný názov pre kvapaliny a plyny, vyplýva z ich vlastnosti -tekutosti a nestáleho tvaru

kvapaliny

- takmer nestlačiteľné (využitie brzdová kvapalina) ** **

• tvar podľa nádoby ** **

• vodorovný povrch (hladina)

• stály objem

• Štruktúra kvapalín je podobná štruktúre amorfných látok (pre väčšie vzdialenosti je štruktúra látky porušená - vosk, asfalt, niektoré plasty)

• Na rozdiel od pevných látok vydrží v rovnovážnej polohe veľmi krátko (~ 1PS; 1s = 10 ^-9 ps)

Zahriatie kvapaliny sa prejaví zvýšením kinetickej energie molekúl a tým kratším intervalom, v ktorom zotrvávajú okolo jednej rovnovážnej polohy. My to rozoznáme zvýšením tekutosti (napr. Med za izbovej teploty tečie z lyžičky veľmi pomaly, pri ohriatí asi ako sirup).

• Stredná vzdialenosť molekúl je rovnaká, ako u pevných látok

Ideálne kvapalina - dokonale nestlačiteľná a bez vnútorného trenia -> jednoduchý popis správania (konštantný objem a hustota), používa sa vo fyzikálnom modelovanie

** **

Reálna kvapalina - V skutočnosti kvapaliny majú vnútorné trenie a možno ich mierne stlačiť. Popis je veľmi zložitý.

plyny

stlačiteľný (pre porovnanie)

• tvar podľa nádoby - zaplní cely priestor

• V podľa nádoby -> rozpínavosť

Plyn nezachováva ani tvar ani objem.

• Molekuly majú značnú kinetickú energiu, lietajú voľne priestorom, s inými molekulami na seba pôsobia len pri náhodných zrážkach alebo blízkych preletoch.

Pri odvodzovaní vlastností sa skutočný plyn nahrádza ideálnym plynom, ktorý má tieto vlastnosti:

Povrchová vrstva kvapalín

---

= Vrstva molekúl, ktoré majú vzdialenosť od voľného povrchu kvapaliny vzdialenosť menšiu ako r _m

- povrch kvapaliny sa správa ako pružná blana - Na každú molekulu ležiace v povrchovej vrstve kvapaliny pôsobí susedné molekuly príťažlivou silou, smerom dovnútra kvapaliny. Voľný povrch je kolmý na smer tejto sily.

** **

Okolo každej molekuly je teda silové pole, jeho veľkosť je zrejmá v polomere r m.

Keď je celé guľové silové pole danej molekuly vnútri kvapaliny -> je výslednica príťažlivých síl, ktorými ostatné molekuly v kvapaline pôsobí na danú molekulu, nulová.

Keď je vzdialenosť molekuly od voľnej povrchu kvapaliny menšia ako r _m. Molekuly plynu, už nevyvolajú takú príťažlivú silu ako molekuly kvapaliny, preto výslednica síl pôsobí dovnútra kvapaliny.

• na prekonanie tejto sily je nutné vykonať prácu
• > Molekuly povrch. vrstvy majú väčšiu energiu

Celá povrchová vrstva má povrchovú energiu

• jedna zo zložiek vnútornej energie kvapaliny.

Kvapalina má snahu mať čo najmenšie energiu, preto sa snaží mať aj najmenší energiu povrchovú. Preto sa snaží mať pri danom objeme tvar s čo najmenším povrchom. Najmenšie povrch vzhľadom k objemu má gule -> kvapalina tvorí guľovitý tvar (vo vesmíre), na zemi vďaka sile príťažlivé -> kvapky.

-> čím väčšie povrchové napätie, tým guľatejší gulička

povrchové napätie

závisí: typu kvapaliny, prostredie nad voľným povrchom kvapaliny, na teplote (zníži sa zvýšením teploty)

• ďalšieho zníženia možno dosiahnuť pridaním saponátu (umývanie, pranie)

• vyjadruje pružnú vlastnosť povrchovej vrstvy kvapalín (blany)

• Voda sa vzduchom - sigma = 73 m N m ^-1

• Voda s parafínom - sigma = 38 m N m ^-1

s * * = Fil / l [N × m ^-1]

** **/ 2 pretože sú 2 blany

**       **

• Povrchové napätie je podiel povrchovej sily pôsobiace na jednotku okraja povrchovej vrstvy kvapaliny

• využívajú vodomerky

Javy na rozhraní kvapalina a pevná látka

• Vzájomné pôsobenie molekúl vody a častíc pevnej látky aj vzájomné pôsobenie molekúl vody

Aj ... pevná látka

II .... kvapalina

III ... plynná látka

F1 .... Sila pevné látky

F2 ... .síla kvapaliny

è Silu plynné látky a tiažovou silu zanedbáme

Výslednica síl F určuje sklon hladiny:

1) Sila smeruje do nádoby -> kvapalina zmáča stenu nádoby -> meniskus (dutý povrch) - zdvih hladiny (voda théta =

Kvapalina zmáča steny v trubici à 0 <theta <pi / 2

Dokonale zmáča steny nádoby à theta = 0 rád rád

2) Sila smeruje do kvapaliny -> kvapalina nesmáčíí stenu nádoby -> vypuklý povrch (ortuť théta = 128)

Ideálny prípad à dokonale nesmáčí - theta = pi (ortuť v trubici)

• stykovej uhol théta. Je to uhol, ktorý zviera tangenta k povrchu kvapaliny so stenou nádoby.

• Kvapalina nesmáčí steny nádoby API / 2 <theta <pi

kapilárne javy

Kapilárny tlak - p _K

• Vzniknutá v dôsledku zakrivenie povrchu

• Kapilarita je súhrnný názov pre kapilárnej depresii a elevaci

• Kapilára = úzka trubička s polomerom 1mm a menším, keď ju ponoríme do kvapaliny, vzniká v nej dutý guľový vrchlík nad hladinou alebo vypuklý guľový vrchlík pod hladinou

F .... výslednica síl - smeruje dovnútra kvapaliny

R ... .poloměr zakrivenie

p k = 2 sigma / R sigma ... povrchové napätie

Kapilárne depresie (nesmáčející - ortuť)

h .... rozdiel hladín

• vypuklý povrch kvapaliny

• Znižuje voľný povrch kvapaliny v kapiláre

• Tlak sa bude zvyšovať

Kapilárne elevácie (smáčející - voda)

** **

• Dutý povrch kvapaliny

• Hydrostatický tlak sa bude v nádobe znižovať

• Zvyšuje sa voľný povrch kvapaliny v kapiláre

• Hydrostatický tlak P _H je v rovnováhe s kapilárnym tlakom P _K

• význam: výživa rastlín kmeňom, nasávanie petroleja knôtom, nasávanie vlhkosti do stien domov

p _H = p _K

Ró gh = 2 sigma / r

h = 2 sigma / (r Ró g)

** **

• Čím menší polomer kapiláry, tým väčší bude rozdiel hladín

• Menšie kvapôčka vlezie do väčšej kvapky, pretože má menší polomer

• Pre bubliny (kvapôčky), ktoré majú vonkajšie aj vnútorné povrch platí: P _K = 4 sigma / R

Pr .: Urči hmotnosť vody pri kapilárnej elevácii.

m =?

d = 0,5 mm

Sigma H2O = 73

g = 10 m / s -2

* *

m = Ró * V

m = Ró * Pi * r 2 * h

m = Ró Pi R 2 * 2 sigma / R Ró g

m = Pi R 2 sigma / g = 1,2 * 10 -5 kg

** **

** **

Tlak v kvapaline vyvolaný vonkajšou silou ** **

Tlak p je fyzikálna veličina, ktorá charakterizuje stav tekutiny v pokoji. Tlak určujeme vzťahom

[Pa

• pascal]

F - tlaková sila, pôsobiaca kolmo na rovinnú plochu kvapaliny s obsahom S.

F = p × S

[p] = 1 Pa je tlak, ktorý vyvolá sila 1 N rovnomerne rozložená na ploche o obsahu 1 m ² a pôsobiaca kolmo na túto plochu. Ďalšie jednotky tlaku: hPa, kPa, Mpa

Na meranie tlaku sa používajú manometre (kvapalinové - tlak sa odpočíta z rozdielu hladín vyvolaných tlakom, kovové

• tlak pružne deformuje určité časti prístroja)

Tlak v tekutinách môže byť vyvolaný

• vonkajšou silou prostredníctvom pevného telesa, ktoré je s tekutým telesom v priamom styku

• tiažovou silou, ktorou pôsobí na tekuté teleso Zeme

V tekutinách sa prenáša tlaková sila do všetkých smerov (v pev. Látkach v smere sily) a sila pôsobí vždy kolmo na určitú plochu kvapalného telesa, ktorú môžeme akokoľvek zvoliť.

Pascalov zákon:

Pascalov zákon platí aj pre plyny. Nahustená pneumatika má vo všetkých miestach rovnaký tlak. Jej steny sa napínajú vo všetkých miestach rovnako. Tlaková sila pôsobí vždy kolmo na steny pneumatiky.

Uplatnenie v hydraulických a pneumatických zariadeniach = dve valcové nádoby s rôznym prierezom u dna spojené trubicou. Valce i trubice sú vyplnené kvapalinou, ktorá je uzavretá pohyblivými piestami. Pôsobíme Ak na menšie piest s obsahom prierezu S ₁ tlakovou silou F _1, vyvolá táto sila v kvapaline tlak p = F ₁ / S _1, ktorý je vo všetkých miestach kvapaliny rovnaký. Na širšie piest bude kvapalina pôsobiť silou F ₂ s veľkosťou

Veľkosti síl pôsobiacich na piesty sú v rovnakom pomere ako obsahy ich prierezov.

• Širší piest bude pôsobiť toľkokrát väčšou silou, koľkokrát je obsah jeho prierezu väčší, než obsah prierezu menšieho piesta.

• využitie u hydraulických lisov, zdvihákov, bŕzd automobilov.

Rovnaký princíp využívajú pneumatické zariadenia - tlak sa prenáša stlačeným vzduchom.

Teplotná rozťažnosť kvapalín

Kvapaliny reagujú rovnako ako plyny a pevné látky na z zväčšený teploty zväčšením vnútornej energie a tým zväčšením energie pohybu molekúl. To sa prejaví tým, že molekuly majú väčšiu rozkmit okolo rovnovážnej polohy -> dôjde k zväčšeniu objemu. ** **

Zmena objemu:

V = V 0 × (1 + b ** ** × ** ** D t)

** **

b [K ^-1] je súčiniteľ teplotnej objemovej rozťažnosti kvapalín (tab. str. 149)

Väčšina látok má β> 0 -> so vzrastajúcou teplotou sa zväčšuje objem látky a klesá jej hustota.

Zmena hustoty:

Anomálie vody:

• odchýlka v objemovej rozťažnosti vody

• veľký význam pre živočíchy (umožňuje prežiť rybám cez zimu)

voda pri zahrievaní od 0C to do 3,99C zmenšuje objem a zvyšuje hustotu. Až potom sa začína objem zvyšovať a hustota znižovať, ako u ostatných látok.

Pri ochladzovaní vody k bodu mrazu bude klesať ku dnu najskôr voda s teplotou 3,99 ° C (pretože má vyššiu hustotu), čím bude vytláčať k hladine chladnejšiu vodu. Chladnejšie voda na hladine preto zamrzne skôr a vytvorí príkrov, pod ktorým sa môže udržať život aj v zime.