Zhrnutie na Štruktúra kvapalín a povrchové javy

## Úvod Kvapaliny tvoria prechod medzi tuhými látkami a plynmi. Majú charakteristické vlastnosti spôsobené blízkymi medzimolekulovými vzdialenosťami a vzájomnými príťažlivými silami. V tomto materiáli rozoberieme vnútornú štruktúru kvapalín, povrchovú vrstvu, povrchovú energiu a povrchové sily. ## Štruktúra kvapalín ### Krátkodosahové usporiadanie - Molekuly kvapaliny sú usporiadané pravidelne iba na malých vzdialenostiach, približne na niekoľkonásobok strednej medzimolekulovej vzdialenosti. - Pri väčších vzdialenostiach pravidelnosť mizne a usporiadanie sa stáva neusporiadaným. > Definícia: Sféra molekulového pôsobenia je pomyselná guľa okolo molekuly s polomerom $r_m$, v ktorej sú sily od molekúl mimo tejto gule zanedbateľné. ### Pohyb molekúl - Molekuly kmitajú s vysokou frekvenciou okolo rovnovážnych polôh. - Po veľmi krátkom čase zaujíma molekula novú rovnovážnu polohu. - So zvyšujúcou sa teplotou sa skracuje doba, počas ktorej zostáva molekula v jednej rovnovážnej polohe. ### Medzimolekulové vzdialenosti a sily - Vzdialenosti medzi molekulami v kvapaline sú malé, približne rovnaké ako v pevnej fáze. - Preto molekuly na seba navzájom pôsobia značnými príťažlivými silami, ktoré ovplyvňujú makroskopické vlastnosti kvapaliny. ## Povrch kvapaliny a povrchová vrstva ### Prečo vzniká povrchová vrstva - Molekuly vnútri kvapaliny sú obklopené susedmi v rámci svojej sféry pôsobenia, takže výslednica príťažlivých síl je približne nulová. - Molekuly blízko povrchu majú menej susedov nad povrchom, takže výslednica príťažlivých síl smeruje dovnútra kvapaliny. > Definícia: Povrchová vrstva je vonkajšia vrstva molekúl kvapaliny, na ktoré pôsobí výsledná príťažlivá sila smerom dovnútra kvapaliny. ### Povrchová energia - Molekula v povrchovej vrstve má väčšiu potenciálnu energiu než rovnaká molekula vnútri kvapaliny, pretože je treba vykonať prácu na jej presun z objemu kvapaliny na povrch. > Definícia: Povrchová energia je časť vnútornej energie, ktorá predstavuje dodatočnú potenciálnu energiu molekúl v povrchovej vrstve v porovnaní s rovnakým počtom molekúl vo vnútri kvapaliny. - Kvapalina daného objemu nadobúda tvar minimalizujúci obsah povrchu, aby sa minimalizovala povrchová energia. ### Zmena povrchovej energie - Ak sa obsah povrchu zmení o hodnotu $\Delta S$, zmení sa povrchová energia o $\Delta E = \sigma \; \Delta S$, kde $\sigma$ je povrchové napätie. > Definícia: Povrchové napätie $\sigma$ má jednotku $\mathrm{N\,m^{-1}}$ a udáva zmenu povrchovej energie na jednotku plochy. ## Povrchová sila a povrchové napätie (bez kapilárnych javov) - Povrchové sily sú výsledkom príťažlivých síl medzi molekulami a pôsobia dovnútra kvapaliny. - Ak na povrchovú blanu pôsobí priečka dĺžky $l$, celková povrchová sila v dôsledku dvoch povrchov je $2F$. - Zmena povrchu pri posunutí priečky o $\Delta x$ vedie k zmene povrchovej energie $$\Delta E = 2\sigma \; l \; \Delta x.$$ Práca vykonaná silou pri posunutí je $$\Delta W = 2 F \; \Delta x.$$ Preto pri rovnosti práce a zmeny energie platí $$F = \sigma \; l.$$ Povrchové napätie sa teda rovná podielu povrchovej sily $F$ a dĺžky $l$ okraja povrchovej blany, na ktorú pôsobí sila kolmo na povrch. ## Porovnanie vlastností kvapalín, tuhých látok a plynov | Vlastnosť | Kvapaliny | Tuhé látky | Plyny | |---|---:|---:|---:| | Usporiadanie molekúl | Krátkodosahové | Dlhodosahové | Neusporiadané | | Medzimolekulová vzdialenosť | Malá (ako v tuhej fáze) | Malá | Veľká | | Pohyb molekúl | Kmitanie a presuny | Kmitanie okolo pevnej siete | Voľné pohyby | | Medzimolekulové sily | Výrazné | Veľmi silné | Slabé | | Povrchová energia | Áno | Nie typicky definovaná | Negligovateľná | ## Praktické príklady a aplikácie - Kvapky vody na povrchu listu sa tvarujú tak, aby minimalizovali povrchovú energiu. - Mydlo znižuje povrchové napätie vody, čo uľahčuje zmáčanie a čistenie. - Paralelné posúvanie tenkej kovovej fólie s kvapalinou medzi dvoma okrajmi ukazuje rovnováhu medzi povrchovou silou