Zhrnutie na Vlastnosti kvapalín a povrchové javy

## Úvod Kapilárne javy a povrchové napätie sú prejavmi síl medzi molekulami v kontaktnej vrstve kvapaliny. Tieto javy vysvetľujú, prečo kvapky majú tvar, prečo kvapalina stúpa v tenkých trubiciach (kapilárach) a prečo niektoré kvapaliny zmäčajú steny nádoby, zatiaľ čo iné nie. ### Prehľad tém - Povrchové napätie: čo to je a odkiaľ pochádza - Kontaktný (stykový) uhol: zmäčanie a nezmáčanie - Kapilárny tlak a jeho vzorce - Praktické príklady a aplikácie > **Definícia:** Povrchové napätie je sila pôsobiaca pozdĺž jednotkovej dĺžky povrchu kvapaliny v dôsledku priťahovania molekúl v povrchovej vrstve. ## Povrchové napätie: príčina a dôsledky Povrchové napätie vzniká preto, že molekuly vnútri kvapaliny sú obklopené susedmi rovnomerne a výsledné sily sa navzájom rušia, zatiaľ čo molekuly pri povrchu cítia nerovnomerné sily smerom do kvapaliny. To vedie k tomu, že povrch kvapaliny sa správa ako napnutá elastická blana. ### Dôležité vlastnosti - Povrchová vrstva sa snaží minimalizovať svoju plochu - Na povrchu vzniká sila, ktorá pôsobí pozdĺž obvodu plochy > **Definícia:** Stykový (kontaktný) uhol $\vartheta$ je uhol medzi povrchom kvapaliny a stenou pevného telesa meraný v kvapaline. ## Zmáčanie a nezmáčanie Povrch kvapaliny pri styku so stenou môže byť konkávny alebo konvexný v mieste kontaktu. | Vlastnosť | Zmáčanie | Nezmáčanie | |---|---:|---:| | Tvar pri stene | Dutý (konkávny) | Vypuklý (konvexný) | | Príklad (kvapalina – stena) | voda – sklo | ortuť – sklo | | Stykový uhol $\vartheta$ | malý ($\vartheta < 90^\circ$) | veľký ($\vartheta > 90^\circ$) | - Keď kvapalina zmäčava stenu, molekuly steny priťahujú molekuly kvapaliny a povrch sa pri stene zakriví dovnútra. - Keď kvapalina nezmáča, silnejšie sú kohézne sily medzi molekulami kvapaliny než adhézne k stene, a povrch sa pri stene vypuklí. Fun fact: Povrchové napätie vody pri izbovej teplote je približne $\sigma = 0{,}072\ \mathrm{N\,m^{-1}}$, čo umožňuje napríklad hmyzu ako vodomor chodiť po hladine. ## Kapilárny tlak Pri zakrivenej ploche kvapaliny (napr. v kapiláre, pri kvapke alebo bublinke) vzniká dodatočný tlak v kvapaline v dôsledku povrchového napätia. Tento tlak nazývame kapilárny tlak. > **Definícia:** Kapilárny tlak $p_{k}$ je tlak navýšený v kvapaline v dôsledku zakrivenia povrchu a povrchového napätia. Pre guľový povrch s polomerom $R$ platí vzťah $$p_{k} = \frac{2\sigma}{R}$$ Pre tenkú guľovú bublinu so **dvomi** povrchmi (napríklad mydlová bublina) s polomerom $R$ platí $$p_{k} = \frac{4\sigma}{R}$$ - Vzťahy ukazujú, že čím menší polomer $R$, tým väčší kapilárny tlak. ### Poznámky k použitiu vzorcov - $\sigma$ je povrchové napätie kvapaliny v jednotkách $\mathrm{N\,m^{-1}}$. - $R$ je polomer zakrivenej plochy v jednotkách metrov. ## Príklady a aplikácie 1. Kapilárny vzostup v rastlinách: voda stúpa v cievach rastlín vďaka kapilarite a adhéznym silám medzi vodou a stenami ciev. 2. Mydlové bubliny: tenká vrstva mydla má dva povrchy, preto vnútorný tlak bubliny zodpovedá $p_{k} = \frac{4\sigma}{R}$. 3. Kapilárne meranie: tenké kapiláry sa používajú pri meraniach povrchového napätia a v lekárskych pipetách. 4. Kvapky na povrchoch: tvar kvapiek ovplyvňuje, ako sa kvapky rozptýlia alebo odtekajú z povrchu (napr. dažďové kvapky na skle auta). ### Praktický príklad: tlak v malej kvapke Ak má kvapka vody povrchové napätie $\sigma = 0{,}072\ \mathrm{N\,m^{-1}}$ a polomer $R = 1\ \mathrm{mm} = 10^{-3}\ \mathrm{m}$, potom kapilárny tlak pre jednoduchý guľový povrch je $$p_{k} = \frac{2 \cdot 0{,}072}{10^{-3}} = 144\ \mathrm{Pa}$$ (To je rozdiel tlaku spôsobený zakrivením povrchu.) Did you know that small raindrops are nearly spherical because surface tension minimizes surface area for a given volume, while larger raindrops are flattened by air resistance? ## Tabuľka porovnania | Vlastnosť | Jednostenná guľa | Dvojná tenká bublina | |---|---:|---:| | Vzorec kapilárneho tlaku | $p_{k} = \frac{2\sigma}{R}$ | $p_{k} = \frac{4\sigma}{R}$ | | Počet povrcho