Struktura kapalin

Kapaliny mají stálý objem, ale už ne tvar.

Kapaliny tvoří přechod mezi úplně uspořádanými pevnými látkami a neuspořádanými plyny. Uspořádání kapalin je krátkodosahové, podobné amorfním látkám. Molekuly kapalin se po krátký časový úsek pohybují v kmitech kolem jedné rovnovážné polohy, ale mají takovou kinetickou energii, že z této rovnovážné polohy uniknou a zaujmou jinou polohu. 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). Molekuly kapaliny na sebe vzájemně působí přitažlivými silami. Tyto síly mají vliv na vlastnosti kapaliny.

Volný povrch kapaliny se chová jako pružná blána (kapky na okně, kapka u kohoutku → je to, jako by se nafukoval balónek). Je to způsobeno vzájemným silovým působením molekul. Kolem každé molekuly je silové pole. V poloměru r_m je velikost tohoto silového působení ještě patrná.

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

Ovšem jiná situace nastane, když je vzdálenost molekuly od volné povrchu kapaliny menší než r_m. Molekuly plynu, které působí na danou molekulu už nevyvolají takovou přitažlivou sílu jako molekuly kapaliny, proto výslednice sil působí dovnitř kapaliny.

Vrstva molekul, které mají vzdálenost od volného povrchu kapaliny vzdálenost menší než r_m, se nazývá povrchová vrstva kapaliny.

Na každou molekulu ležící v povrchové vrstvě kapaliny působí sousední molekuly výslednou přitažlivou silou, která má směr dovnitř kapaliny. Volný povrch je kolmý na směr této síly.

Při posunutí molekuly z vnitřku kapaliny do povrchové vrstvy je nutno vykonat práci k překonání této síly. Molekuly povrchové vrstvy mají větší energii než ostatní molekuly. Celá povrchová vrstva má povrchovou energii. Je to energie, kterou mají molekuly povrchové vrstvy navíc ve srovnání se stejným počtem molekul uvnitř kapaliny. Povrchová energie je 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 co nejmenší povrch. Pokud bychom porovnali povrch těles o stejném objemu, zjistili bychom, že nejmenší povrch vzhlede k objemu má koule. Proto se i kapalina snaží vytvořit kulovitý tvar. Takový tvar by měla, kdyby na ni nepůsobily vůbec žádné síly. Na Zemi ale působí tíha, proto kapaliny zaujímají kapkovitý tvar.

Když chceme zvětšit velikost povrchu kapaliny o DS, musíme dodat přírůstek povrchové energie DE, kterou musíme dodat molekulám, které se staly molekulami povrchové vrstvy kapaliny.

Veličina, která charakterizuje závislost povrchové energie kapaliny na jejím povrchu je povrchové napětí s

[s] = J × m^–2 = N × m^–1

Povrchové napětí závisí na kapalině, na látce nad volným povrchem, na teplotě kapaliny.

Když vytvoříme blánu z mýdlového roztoku v drátěném rámečku, jehož jedna strana je pohyblivá, posune blána samovolně pohyblivou stranu o Dx. Při tom na stranu působí oba povrchy (horní i dolní) povrchovou silou F. Vykoná se práce W = 2 × F × Dx a zároveň se plocha blány zmenší o plochu DS = 2 × l × Dx (opět se zmenší horní i dolní povrchová vrstva), kde l je délka pohyblivé strany

Povrchové napětí se rovná podílu velikosti povrchové síly F a délky l okraje povrchové blány, na který povrchová síla působí kolmo k povrchu kapaliny.

Jevy na rozhraní pevného tělesa a kapaliny

Nalijeme-li kapalinu do nádoby, u hladiny na sebe budou vzájemně působit molekuly stěny nádoby, molekuly plynu nad hladinou a molekuly kapaliny. Nádoba působí silou F₁, kapalina silou F₂ a plyn silou F₃, která je vzhledem k druhým dvěma silám zanedbatelná. Výslednice sil určuje sklon hladiny, která je kolmá na povrchovou sílu. Mohou nastat dva případy:

Síla směřuje do nádoby – kapalina smáčí stěnu nádoby, tzn. u stěny se vytvoří meniskus, malý zdvih hladiny – např. voda. Kapalina vytváří dutý povrch.

Síla směřuje do kapaliny – kapalina nesmáčí stěnu nádoby – např. rtuť, kapalina vytváří vypuklý povrch.

Hladina svírá se stěnou nádoby stykový úhel J. Pro 0 < J < p/2 rad kapalina smáčí, pro p/2 < J < p rad nesmáčí. Voda má J = 8°, rtuť 128°.

Je-li J = 0 rad, kapalina dokonale smáčí stěny, pro p/2 je povrch kapaliny nezakřivený, pro p kapalina dokonale nesmáčí.

Ponoříme-li trubici s velmi malým vnitřním průměrem (kapiláru – r < 1 mm) svisle do kapaliny, vytvoří se v ní u kapalin smáčejících dutý kulový vrchlík nad hladinou kapaliny – kapilární elevace; u kapalin nesmáčejících se vytvoří vypuklý kulový vrchlík níže než je hladina okolní kapaliny – kapilární deprese.

Při kapilární elevaci vystoupá kapalina do takové výšky, ve které bude povrchová a tíhová síla kapaliny v rovnováze.

l je obvod hladiny v kapiláře, V je objem kapaliny v kapiláře.

Z těchto vzorců lze určit povrchové napětí kapaliny nebo určit, jak vysoko by kapalina vystoupala.

Tlak pod zakřiveným povrchem kapaliny způsobený pružností povrchové vrstvy se nazývá kapilární tlak.

Pod dutým povrchem je vnitřní tlak ve srovnání s tlakem pod vodorovným povrchem menší než kapilární tlak. Pod vypuklým povrchem kapaliny je naopak vnitřní tlak ve srovnání s tlakem pod vodorovným povrchem větší o kapilární tlak.

Z měření i teoretického odvození vyplývá, že má-li povrch kapaliny tvar kulového vrchlíku (resp. koule, např. u kapky), je kapilární tlak p_k dán vztahem

,

kde je povrchové napětí kapaliny a R poloměr kulového povrchu.

U tenké kulové bubliny se dvěma povrchy (např. mýdlové bubliny) o poloměru R je

Kapilární jevy mají velký praktický význam. Na kapilární elevaci je založena výživa rostlin – voda s živinami vzlíná kmenem. Kapilární elevací vzlíná petrolej knotem, ale také vlhnou stěny podmáčených domů.