Zhrnutie na Vlastnosti kvapalín a povrchové javy

## Povrchové vlastnosti kvapalín ### Úvod Povrchové vlastnosti kvapalín vysvetľujú, prečo kvapky držia guľovitý tvar, prečo niektoré kvapaliny „zmáčajú“ povrchy a prečo voda môže stúpať v úzkych trubiciach. Tieto javy sú dôsledkom molekulových síl medzi molekulami kvapaliny a medzi kvapalinou a pevnou fázou. > **Definícia:** Povrchová vrstva kvapaliny je tenká oblasť pri rozhraní, kde sú molekuly priťahované asymetricky, čo vytvára špecifické mechanické vlastnosti. ## Základné vlastnosti kvapalín - Kvapalina má **stály objem**, ale **nestály tvar**; prispôsobí sa tvaru nádoby. - Molekuly kvapaliny pôsobia navzájom priťažujúcimi (pritažlivými) a odpudivými silami. - Molekuly vnútri kvapaliny sú priťahované rovnomerne zo všetkých strán, molekuly na povrchu sú priťahované prevažne smerom dovnútra. > **Definícia:** Povrchové napätie (povrchová energia na jednotku dĺžky) je sila, ktorá pôsobí pozdĺž povrchu kvapaliny a snaží sa minimalizovať jeho plochu. ### Povrchová vrstva a tvar kvapiek - Povrch správa sa ako pružná membrána; kvapalina sa usiluje minimalizovať povrch. - To vysvetľuje, prečo voľné kvapky majú približne guľový tvar (kvôli najmenšiemu povrchu pri danom objeme). ## Rozsah molekulového pôsobenia > **Definícia:** Rozsah (dosah) molekulového pôsobenia je oblasť okolo molekuly, v ktorej ešte pôsobia mechanické sily medzi molekulami. - Vnútri kvapaliny sa sily navzájom vyrušujú. - Pri povrchu majú sily výslednicu smerom dovnútra, čo spôsobuje vznik povrchovej vrstvy a povrchových javov. ## Povrchová energia a povrchové napätie > **Definícia:** Povrchová energia $E_p$ [J] je energia potrebná na vytvorenie alebo zväčšenie povrchu kvapaliny. - Povrchové napätie $\sigma$ má jednotku $\mathrm{N/m}$ a udáva silu pôsobiacu pozdĺž jednotkovej dĺžky povrchu. $$\sigma = \frac{\text{povrchová energia}}{\text{zvýšenie povrchu}}$$ - Pre vodu pri $20\,^{\circ}\mathrm{C}$ platí približne $\sigma = 0{,}073\ \mathrm{N/m}$. ### Povrchová sila - Povrchová sila pôsobí pozdĺž povrchu a smeruje tak, aby zmenšila povrch kvapaliny. - V dôsledku povrchového napätia niektoré objekty s malou hmotnosťou môžu plávať na vode aj keď sú hustejšie ako voda (napr. ihla na vodnej hladine pri správnom položení). ## Javy na rozhraní pevné teleso - kvapalina - Rozhodujúca je priťažlivosť medzi molekulami kvapaliny a molekulami pevnej látky (povrchom nádoby). | Vlastnosť | Zmáčanie | Nezmáčanie | |---|---:|---:| | Uhol navlhnutia $\kappa$ | $\kappa < 90^{\circ}$ | $\kappa > 90^{\circ}$ | | Príklad | voda v skle (stúpa pri stene) | ortuť v skle (nedrží stenu) | | Povrchové správanie | kvapalina priľne k stene | kvapalina sa od steny odpudzuje | > **Definícia:** Uhol navlhnutia $\kappa$ je uhol medzi povrchom pevnej látky a dotyčnicou kvapaliny pri kontakte; určuje, či povrch kvapalinu zmáča. ## Kapilárne javy: elevácia a depresia - Kapilára je úzka rúrka; v nej sa prejavujú povrchové sily silnejšie. - Kapilárna elevácia: kvapalina v kapiláre vystúpi nad úroveň okolitej hladiny, ak kvapalina zmáča stenu (napr. voda v skle). - Kapilárna depresia: kvapalina v kapiláre klesne pod úroveň okolitej hladiny, ak kvapalina stenu nezmáča (napr. ortuť v skle). Praktické príklady: - Nasávanie atramentu perom, rastlinný transport vody v cievach, presakovanie vody v pôde. Did you know that capillary action allows water to move from roots to leaves in plants without a pump, aided by adhesion to xylem walls and cohesion between water molecules? ## Príklad (výpočet výšky stúpania vody v kapiláre) Zadané hodnoty: priemer kapiláry $d = 0{,}5\ \mathrm{mm} = 0{,}0005\ \mathrm{m}$, povrchové napätie $\sigma = 0{,}073\ \mathrm{N/m}$, gravitačné zrýchlenie $g = 9{,}81\ \mathrm{m/s^2}$, hustota vody $\rho = 1000\ \mathrm{kg/m^3}$, uhol navlhnutia $\theta = 0$ (úplné zmáčanie, teda $\cos\theta = 1$). Vzorec pre výšku kapilárneho stúpania (pre rúrku polomeru $r$): $$h = \frac{2\sigma\cos\theta}{\rho g r}$$ Keďže $r = \dfrac{d}{2}$, môžeme prepísať: $$h = \fra