ŠTRUKTÚRA A VLASTNOSTI KVAPALÍN

Štruktúra kvapalín je podobná štruktúre amorfných látok. Každá molekula kmitá okolo svojej rovnovážnej polohy za čas asi 1 ns a potom zaujíma novú rovnovážnu polohu. V pevných látkach kmitajú molekuly iba okolo jednej rovnovážnej polohy. Zmena rovnovážnych polôh molekúl kvapaliny nastáva v dôsledku náhodných zmien kinetickej energie molekúl. Kvapaliny sa na rozdiel od plynov vyznačujú malou vzdialenosťou medzi molekulami; tieto vzdialenosti sú približne rovnaké ako v pevných látkach. Preto molekuly kvapaliny pôsobia na seba navzájom veľkými príťažlivými silami.

Voľný povrch kvapaliny sa správa podobne ako tenká pružná blana. Okolo každej molekuly môžeme myšlienkovo opísať guľu s polomerom r_m, že sily, ktoré pôsobia mimo tejto gule sú zanedbateľné. Túto myslenú guľu nazývame sféra molekulového pôsobenia (polomer asi 1 nm). Keď je molekula vnútri kvapaliny, výslednica príťažlivých síl v tejto sfére je na molekulu nulová. Ak sa molekula nachádza v povrchovej vrstve, výsledná príťažlivá sila smeruje do vnútra kvapaliny. Vrstva, molekúl, ktorých vzdialenosť od voľného povrchu kvapaliny je menšia ako r_m (polomer sféry molekulového pôsobenia) sa nazýva povrchová vrstva kvapaliny. Jednou zo zložiek vnútornej energie kvapaliny je povrchová energia E. Pre jej zmenu platí: DE= s.DS

s je povrchové napätie (N.m^-1). Závisí od druhu kvapaliny a prostredia nad povrchom kvapaliny. Jej hodnoty pre niektoré kvapaliny nájdeme v MFChT. Kvapalina daného objemu má snahu nadobúdať taký tvar, aby jej povrch bol čo najmenší a tým bola minimálna povrchová energia. Pri danom objeme má najmenší obsah povrch gule. Preto voľné kvapky majú približne guľový tvar. (pri väčších kvapkách je tvar deformovaný tiažovou silou a tlakovou silou podložky).

Na okraj povrchovej blany pôsobia molekuly kvapaliny povrchovou silou, ktorej veľkosť je F = s.l, kde l je dĺžka okraja blany. Povrchové napätie sa rovná podielu veľkosti povrchovej sily a dĺžky okraja povrchovej blany, na ktorej sila pôsobí kolmo v povrchu kvapaliny. s = F / l Keď je povrch kvapaliny zakrivený, povrchová sila má smer dotyčnice k povrchu kvapaliny v danom bode.

Javy na rozhraní pevného telesa a kvapaliny:

Kvapalina zmáča steny nádoby

(napr. voda alebo lieh v sklenej nádobe alebo ortuť v medenej): - tvorí dutý povrch

Kvapalina nezmáča steny nádoby

(napr. ortuť v sklenej nádobe)"

- tvorí vypuklý povrch

Zakrivenie voľného povrchu kvapaliny spôsobuje skutočnosť, že molekuly kvapaliny, ktoré sú na jej voľnom povrchu a súčasne v blízkosti steny nádoby alebo iného pevného telesa, vzájomne pôsobia nielen medzi sebou, ale aj s časticami pevného telesa a plynu nad voľným povrchom kvapaliny.

Uhol j, ktorý zviera povrch kvapaliny s povrchom steny, nazýva sa stykový uhol. Ak sa rovná nule, kvapalina dokonale zmáča steny nádoby. Ak j = p, kvapalina dokonale nezmáča steny nádoby. Pre skutočné kvapaliny platí 1) 0 < j < p / 2 ; 2) p/2< j < p. Zakrivenie voľného povrchu kvapaliny napr. v úzkych rúrkach (kapilárach) spôsobuje, že na voľný povrch kvapaliny pôsobí výsledná sila F_t, ktorá vyvoláva kapilárny tlak p_k.

Z experimentálnych výsledkov vyplýva, že pre voľný povrch kvapaliny guľového tvaru je tlak daný vzťahom p_k=2s/ R kde R je polomer guľového povrchu a s je povrchové napätie. Pri tenkej guľovej mydlinovej bubline sa kapilárny tlak rovná 4s/R (bublina má dva povrchy: vnútorný a vonkajší).

Keď do širokej nádoby ponoríme úzku sklenú rúrku - kapiláru voda v nej vystúpi do istej výšky h nad voľnú hladinu vody v nádobe. Výška stĺpca je tým väčšia, čím menší je priemer kapiláry. Tento jav sa nazýva kapilárna elevácia. Podobný jav nastáva pri všetkých kvapalinách zmáčajúcich stenu kapiláry. Pri ortuti je hladina v kapiláre nižšia ako hladina ortuti v nádobe. To je kapilárna depresia. Nastáva pri všetkých kvapalinách, ktoré nemáčajú stenu kapiláry. Kapilárna elevácia a depresia sa súhrne volajú kapilarita.

Ak má kvapalina hustotu r, tak výšku h pri kapilárnej elevácií vypočítame:

2s 2s

h = ----- ( p_h = p_k => h r g = --- )

r g R R

( s je povrchové napätie kvapaliny). R je polomer zakrivenia kvapaliny. Kapilárne javy majú veľký význam v praxi. Napr. valcovaním pôdy sa utvárajú kapiláry a umožňuje sa vzlínanie vody. Kapiláry sa rozrušujú napr. podmietkou, tým sa zabraňuje nadmernému vyparovaniu. Kapilárna elevácia spôsobuje aj nasávanie kvapaliny do knôtov., vysávanie pôrovytými látkami (špongia...)

Pri väčšine kvapalín sa objem so zvyšujúcou sa teplotou zväčšuje.

V = V₁ (1 + b Dt) Dt je prírastok teploty, V₁ je začiatočný objem kvapaliny pri teplote t₁ a b je súčiniteľ teplotnej objemovej rozťažnosti kvapaliny. So zmenou teploty kvapaliny sa mení aj jej hustota: r = r₁ (1 - b Dt) Objem kvapaliny sa pri zvyšovaní teploty zväčšuje, ale (ako vždy) existujú aj tu výnimky. Jednou z nich je voda v intervale od O°C do 3.98°C. Táto vlastnosť sa nazýva anomália vody. Voda má najväčšiu hustotu pri 3.98°C. Preto sú vody s touto teplotou najnižšie v zamŕzajúcich riekach, jazerách a rybníkoch. To má nezvyčajný význam pre prezimovanie vodných živočíchov a rastlín.