Struktura a vlastnosti kapalin, Pascalův zákon

Struktura a vlastnosti kapalin, Pascalův zákon

Struktura a vlastnosti kapalin, Pascalův zákon

 

Fyzikální vlastnosti všech látek závisí na jejich struktuře, jinak se chovají pevné látky, jinak kapaliny a jinak plyny.


Tekutiny - souhrnný název pro kapaliny a plyny, vyplývá z jejich vlastnosti -tekutosti a nestálého tvaru

 

 

Kapaliny

 - téměř nestlačitelné (využití brzdová kapalina) 

 - tvar podle nádoby 

 - vodorovný povrch (hladina)

 - stálý objem

 - Struktura kapalin je podobná struktuře amorfních látek (pro větší vzdálenosti je struktura látky porušena - vosk, asfalt, některé plasty)

 - Na rozdíl od pevných látek vydrží v rovnovážné poloze velmi krátce (~ 1ps; 1s = 10−9 ps)

Zahřátí kapaliny se projeví zvýšením kinetické energie molekul a tím kratším intervalem, ve kterém setrvávají kolem jedné rovnovážné polohy. My to rozeznáme zvýšením tekutosti (např. med za pokojové teploty teče ze lžičky velmi pomalu, při ohřátí asi jako sirup).

 - Střední vzdálenost molekul je stejná, jako u pevných látek

 

 

Ideální kapalina - dokonale nestlačitelná a bez vnitřního tření -> jednoduchý popis chování (konstantní objem a hustota), používá se ve fyzikálním modelování

 

Reálná kapalina - Ve skutečnosti kapaliny mají vnitřní tření a lze je mírně stlačit. Popis je velmi složitý.

 

 

Plyny

stlačitelný (pro srovnání)

  - tvar dle nádoby - zaplní cely prostor

  - V podle nádoby -> rozpínavost

Plyn nezachovává ani tvar ani objem.

 - Molekuly mají značnou kinetickou energii, létají volně prostorem, s jinými molekulami na sebe působí jen při náhodných srážkách nebo blízkých průletech.

Při odvozování vlastností se skutečný plyn nahrazuje ideálním plynem, který má tyto vlastnosti:

 

Ideální plyn

  • dokonale tekutý, bez vnitřního tření, dokonale stlačitelný (částice na sebe
nijak nepůsobí)

 

 

 

 

Povrchová vrstva kapalin


 = Vrstva molekul, které mají vzdálenost od volného povrchu kapaliny vzdálenost menší než rm

 - povrch kapaliny se chová jako pružná blána - Na každou molekulu ležící v povrchové vrstvě kapaliny působí sousední molekuly přitažlivou silou, směrem dovnitř kapaliny. Volný povrch je kolmý na směr této síly.

 

Kolem každé molekuly je tedy silové pole, jeho velikost je patrná v poloměru rm.

 

Povrchová vrstva kapalin

Když je celé kulové silové pole dané molekuly uvnitř kapaliny -> je výslednice přitažlivých sil, kterými ostatní molekuly v kapalině působí na danou molekulu, nulová.

Když je vzdálenost molekuly od volné povrchu kapaliny menší než rm. Molekuly plynu, už nevyvolají takovou přitažlivou sílu jako molekuly kapaliny, proto výslednice sil působí dovnitř kapaliny.

 

 - k překonání této síly je nutno vykonat práci

  • > molekuly povrch. vrstvy mají větší energii

 

Celá povrchová vrstva má povrchovou energii

  • jedna ze složek vnitřní energie kapaliny.

 

Kapalina má snahu mít co nejmenší energii, proto se snaží mít i nejmenší energii povrchovou. Proto se snaží mít při daném objemu tvar s co nejmenším povrchem. Nejmenší povrch vzhledem k objemu má koule -> kapalina tvoří kulovitý tvar (ve vesmíru), na zemi díky síle přitažlivé -> kapky.

-> čím větší povrchové napětí, tím kulatější kulička

 

 

Povrchové napětí

závisí:  typu kapaliny, prostředí nad volným povrchem kapaliny, na teplotě (sníží se zvýšením teploty)

 - dalšího snížení lze dosáhnout přidáním saponátu (mytí, praní)

 - vyjadřuje pružnou vlastnost povrchové vrstvy kapalin (blány)

 

- Voda se vzduchem – sigma = 73 m N m−1

 - Voda s parafínem – sigma = 38 m N m−1

 

s = Fp / l   [N × m–1]           

Povrchové napětí kapalin / 2 protože jsou 2 blány

      

 

 

-          Povrchové napětí je podíl povrchové síly působící na jednotku okraje povrchové vrstvy kapaliny

 - využívají vodoměrky

 

 

 

 

 

 

Jevy na rozhraní kapalina a pevná látka

-          Vzájemné působení molekul vody a částic pevné látky i vzájemné působení molekul vody

Rozhraní kapalina/pevná látka

I… pevná látka

II…. Kapalina

III... plynná látka

F1…. Síla pevné látky

F2….síla kapaliny

è Sílu plynné látky a tíhovou sílu zanedbáme

 

Výslednice sil F určuje sklon hladiny:

 

Dutý povrch kapaliny1) Síla směřuje do nádoby -> kapalina smáčí stěnu nádoby -> meniskus (dutý povrch) - zdvih hladiny (voda théta = 8)

Kapalina smáčí stěny v trubici à 0 < theta < pi/2

Dokonale smáčí stěny nádoby à theta = 0 rad rad

 

Vypuklý povrch kapaliny2) Síla směřuje do kapaliny -> kapalina nesmáčíí stěnu nádoby -> vypuklý povrch (rtuť théta = 128)

Ideální případ à dokonale nesmáčí – theta = pi (rtuť v trubici)

 

 

-          Stykový úhel théta. Je to úhel, který svírá tečna k povrchu kapaliny se stěnou nádoby.

-          Kapalina nesmáčí stěny nádoby àPi/2 < theta < pi

 

 

 

Kapilární jevy

Kapilární tlak – pK

-          Vzniklá v důsledku zakřivení povrchu

-          Kapilarita je souhrnný název pro kapilární depresi a elevaci

-          Kapilára = úzká trubička o poloměru 1mm a menším, když ji ponoříme do kapaliny, vzniká v ní dutý kulový vrchlík nad hladinou nebo vypuklý kulový vrchlík pod hladinou

 

 

KapiláraF…. výslednice sil - směřuje dovnitř kapaliny

R….poloměr zakřivení

 

 

pk = 2 sigma / R                                sigma… povrchové napětí

 

 

 

Kapilární deprese (nesmáčející - rtuť)

Kapilární depreseh…. rozdíl hladin

-          Vypuklý povrch kapaliny

-          Snižuje volný povrch kapaliny v kapiláře

-          Tlak se bude zvyšovat

 

 

Kapilární elevace (smáčející - voda)

Kapilární elevace

-          Dutý povrch kapaliny

-          Hydrostatický tlak se bude v nádobě snižovat

-          Zvyšuje se volný povrch kapaliny v kapiláře

-          Hydrostatický tlak PH je v rovnováze s kapilárním tlakem PK

-          význam: výživa rostlin kmenem, nasávání petroleje knotem, nasávání vlhkosti do stěn domů

 

pH = pK

Ró g h = 2 sigma / r

h = 2 sigma / (r Ró g )     

 

-          Čím menší poloměr kapiláry, tím větší bude rozdíl hladin

-          Menší kapička vleze do větší kapky, protože má menší poloměr

-          Pro bubliny (kapičky), které mají vnější i vnitřní povrch platí: PK = 4 sigma / R

 

 

Př.: Urči hmotnost vody při kapilární elevaci.

m = ?

d = 0,5 mm

Sigma H2O = 73

g = 10 m/s−2

R = 0,25 * 10−3

 

m = Ró * V

m = Ró * Pi * r2 * h

m = Ró Pi R2 * 2 sigma / R Ró g

m = Pi R 2 sigma / g = 1,2 * 10−5 kg

 

 

 

Tlak v kapalině vyvolaný vnější silou 

 

Tlak p je fyzikální veličina, která charakterizuje stav tekutiny v klidu. Tlak určujeme vztahem

 

Vzoreček pro tlak v kapalině vyvolaný vnější silou[Pa

  • Pascal]

F -  tlaková síla, působící kolmo na rovinnou plochu kapaliny s obsahem S.

F = p × S

 

[p] = 1 Pa je tlak, který vyvolá síla 1 N rovnoměrně rozložená na ploše o obsahu 1 m2 a působící kolmo na tuto plochu. Další jednotky tlaku: hPa, kPa, Mpa

 

K měření tlaku se používají manometry (kapalinové – tlak se odečítá z rozdílu hladin vyvolaných tlakem, kovové

  • tlak pružně deformuje určité části přístroje)

Tlak v tekutinách může být vyvolán

– vnější silou prostřednictvím pevného tělesa, které je s tekutým tělesem v přímém styku

– tíhovou silou, kterou působí na tekuté těleso Země

 

V tekutinách se přenáší tlaková síla do všech směrů (v pev. látkách po směru síly) a síla působí vždy kolmo na určitou plochu kapalného tělesa, kterou můžeme jakkoli zvolit.

 

Pascalův zákonPascalův zákon:

Tlak vyvolaný vnější silou, která působí na kapalné těleso v uzavřené nádobě, je ve všech místech kapaliny stejný.

Pascalův zákon platí i pro plyny. Nahuštěná pneumatika má ve všech místech stejný tlak. Její stěny se napínají ve všech místech stejně. Tlaková síla působí vždy kolmo na stěny pneumatiky.

 

Hydraulický lisUplatnění v hydraulických a pneumatických zařízeních = dvě válcové nádoby s různým průřezem u dna spojené trubicí. Válce i trubice jsou vyplněny kapalinou, která je uzavřena pohyblivými písty. Působíme-li na menší píst o obsahu průřezu S1 tlakovou silou F1, vyvolá tato síla v kapalině tlak p = F1/S1, který je ve všech místech kapaliny stejný. Na širší píst bude kapalina působit silou F2 o velikosti

Velikosti sil působících na písty jsou ve stejném poměru jako obsahy jejich průřezů

Velikosti sil působících na písty jsou ve stejném poměru jako obsahy jejich průřezů

 - Širší píst bude působit tolikrát větší silou, kolikrát je obsah jeho průřezu větší, než obsah průřezu menšího pístu.

 -  využití u hydraulických lisů, zvedáků, brzd automobilů.

Stejný princip využívají pneumatická zařízení - tlak se přenáší stlačeným vzduchem.

 

 

Teplotní roztažnost kapalin

Kapaliny reagují stejně jako plyny a pevné látky na zvětšení teploty zvětšením vnitřní energie a tím zvětšením energie pohybu molekul. To se projeví tím, že molekuly mají větší rozkmit kolem rovnovážné polohy -> dojde ke zvětšení objemu. 

Změna objemu:

V = V0 × (1 + b × Dt)

 

b [ K–1] je součinitel teplotní objemové roztažnosti kapalin (tab. str. 149)

Většina látek má β > 0 -> se vzrůstající teplotou se zvětšuje objem látky a klesá její hustota.

 

Změna hustoty:

Změna hustoty

 

Anomálie vody:

 - odchylka v objemové roztažnosti vody

 - velký význam pro živočichy (umožňuje přežít rybám přes zimu)

 

voda při zahřívání od 0C to do 3,99C zmenšuje objem a zvyšuje hustotu. Až potom se začíná objem zvyšovat a hustota snižovat, jako u ostatních látek.

 

Při ochlazování vody k bodu mrazu bude klesat ke dnu nejdříve voda o teplotě 3,99°C (protože má vyšší hustotu), čímž bude vytlačovat k hladině chladnější vodu. Chladnější voda na hladině proto zamrzne dříve a vytvoří příkrov, pod nímž se může udržet život i v zimě.


 

  Aktivity (1)

Článek pro vás napsal David Čápka
Avatar
Autor pracuje jako softwarový architekt a pedagog na projektu ITnetwork.cz (a jeho zahraničních verzích). Velmi si váží svobody podnikání v naší zemi a věří, že když se člověk neštítí práce, tak dokáže úplně cokoli.
Unicorn College Autor se informační technologie naučil na Unicorn College - prestižní soukromé vysoké škole IT a ekonomie.

Jak se ti líbí článek?
Ještě nikdo nehodnotil, buď první!


 



 

 

Komentáře

Avatar
Paťa
Neregistrovaný
Avatar
Paťa:

díky za vysvetlenie.. lebo učiteľka nie je zrovna v tom najlepšia :D

 
Odpovědět 3.10.2010 15:55
Děláme co je v našich silách, aby byly zdejší diskuze co nejkvalitnější. Proto do nich také mohou přispívat pouze registrovaní členové. Pro zapojení do diskuze se přihlas. Pokud ještě nemáš účet, zaregistruj se, je to zdarma.

Zobrazeno 1 zpráv z 1.