11 Štruktúra a vlastnosti kvapalín

Transcript

1 11 Štruktúra a vlastnsti kvapalín - štruktúra kvapalných látk je pdbná štruktúre arfných látk - každá častica kvapaliny kitá kl istej rvnvážnej plhy a p veľi krátk čase (rádv 1 ns) zauje nvú rvnvážnu plhu. Keď sa teplta kvapaliny zvyšuje, čas ztrvania lekuly v rvnvážnej plhe sa zenšuje. V pevnej látke každá častica kitá kl istej rvnvážnej plhy, ktrú za dlhé bdbie (hci aj tisíce rkv) nezení. - zena rvnvážnych plôh lekúl kvapaliny nastáva v dôsledku náhdných zien kinetickej energie lekúl. Mlekula získa náhdnýi zrážkai s susednýi lekulai takú energiu, že sa dstane z vplyvu silvéh pľa susedných lekúl a zauje nvú rvnvážnu plhu. - kvapaliny sa na rzdiel d plynv vyznačujú alýi vzájnýi vzdialensťai edzi lekulai; tiet vzdialensti sú približne rvnaké ak v pevných látkach, pret lekuly kvapaliny pôsbia na seba navzáj veľkýi príťažlivýi silai. iet sily ajú vplyv na vlastnsti kvapaliny, najä na vlastnsti jej pvrchvej vrstvy pvrchvá vrstva kvapaliny - vľný pvrch kvapaliny sa správa pdbne ak tenká pružná blana keď na vľný pvrch vdy plžíe tenkú ihlu, žiletku aleb hliníkvú incu, pzrujee, že sa pvrch kvapaliny prehne, akby bl pvrch vdy pružný. Ihla, žiletka, inca sa neptpia, hci hustta látk, z ktrých sú vyrbené, je väčšia ak hustta vdy. - lekuly kvapaliny na seba navzáj pôsbia príťažlivýi silai, ktrých veľksť sa rýchl zenšuje s ich zväčšujúcu sa vzdialensťu. Okl každej lekuly žn yšlienkv písať guľu s taký pler r, že sily, ktrýi na tút vybranú lekulu pôsbia lekuly ležiace i tejt gule, sú zanedbateľné. út yslenú guľu nazývae sféra lekulvéh pôsbenia. Jej pler je rádv 1 n, č je niekľk edziatóvých vzdialensti. - keď je lekula a jej sféra lekulvéh pôsbenia vnútri kvapaliny, pt výslednica príťažlivých síl, ktrýi lekuly v tejt sfére pôsbia na uvažvanú lekulu, je nulvá - v inej situácii sú však lekuly, ktrých vzdialensť d vľnéh pvrchu kvapaliny je enšia ak r. Výslednica sféra vzájnéh pôsbenia lekúl príťažlivých síl, ktrýi pôsbia lekuly v sfére lekulvéh pôsbenia vybranej lekuly, je klá na vľný pvrch kvapaliny a á ser dvnútra kvapaliny. Mlekuly plynu v hrnej časti sfér pôsbia na uvažvané lekuly ' príťažlivu silu ; pačnéh seru, ak je sila. Keďže hustta lekúl plynu je v prvnaní s husttu lekúl kvapaliny v väčšine prípadv veľi alá, je veľksť zanedbateľná v prvnaní s veľksťu. - vrstva lekúl, ktrých vzdialensť d vľnéh pvrchu kvapaliny je enšia ak pler sféry lekulvéh pôsbenia, nazýva sa pvrchvá vrstva kvapaliny. Na každú lekulu, ktrá leží v pvrchvej vrstve kvapaliny, pôsbia susedné lekuly výslednu príťažlivu silu, ktrá á ser dvnútra kvapaliny - pri psunutí lekuly zvnútra kvapaliny d jej pvrchvej vrstvy treba vyknať prácu, pret lekula v pvrchvej vrstve á väčšiu ptenciálnu energiu vzhľad na susedné lekuly, ak by ala, keby bla vnútri kvapaliny. Pvrchvá vrstva á energiu, ktrá sa nazýva pvrchvá energia E; je jednu z zlžiek vnútrnej energie kvapaliny. keď sa zení pvrch kvapaliny danéh bjeu hdntu S, zení sa pvrchvá energia hdntu E = σ. S, kde σ je pvrchvé napätie (závisí d druhu kvapaliny a prstredia nad vľný pvrch kvapaliny), jedntku pvrchvéh napätia je N. -1 1

2 - kvapaliny danéh bjeu á snahu nadbúdať taký tvar, aby jej pvrch bl č najenší, a tý bla iniálna pvrchvá energia. pri dan bjee á z všetkých geetrických útvarv najenší bsah pvrch gule, pret vľné kvapky (napr. hly, rsy) ajú guľvitý tvar pvrchvá sila a pvrchvé napätie - kvapalina á snahu nadbúdať taký tvar, aby ala č najenší pvrch. Sila pôsbiaca v pvrchu kvapaliny sa vlá pvrchvá sila. - keď na drôten ráčeku, ktréh jedna strana je phyblivá, utvríe kvapalinvú blanu (blana á dva pvrchy) z ydlvéh rztku aleb kvapalinvéh sapnátu, tak pzrujee, že blana sa sťahuje a ťahá s sebu aj phyblivú časť ráčeka. Na ráček pôsbí pvrchvá sila, ktrej veľksť ôžee určiť experientálne tý, že ráček s blanu zaťažíe alý závaží tak, aby sústava bla v pkji, pt platí: G = 2 - keď iztericky zväčšíe pôsbení vnkajšej sily pvrch blany, prechádza časť lekúl zvnútra kvapaliny na ba jej pvrchy a pvrchvá energia blany sa p zväčšuje. Práca W vyknaná pôsbení vnkajších síl sa rvná prírastku x pvrchvej energie E blany. pri zenšvaní pvrchu blany prechádza časť lekúl z bch pvrchvých vrstiev dvnútra kvapaliny, pvrchvá energia sa l G zenšuje a blana kná kladnú prácu. - psunutí priečky s dĺžku l vzdialensť x sa zväčší bsah bch pvrchv blany 2 S=2l x. Z rvnsti E=W vyplýva veľksť pvrchvej sily: E= W 2 σ. S = 2. x l. x= 2. x = σl veľksť pvrchvej sily pri dan pvrchv napätí ja pria úerná dĺžke kraja pvrchvej blany - pre pvrchvé napätie platí: σ = l pvrchvé napätie sa rvná pdielu veľksti pvrchvej sily a dĺžky kraja pvrchvej blany, na ktrý sila pôsbí kl v pvrchu kvapaliny - keď je pvrch kvapaliny zakrivený, pt pvrchvá sila á ser dtyčnice k pvrchu kvapaliny v dan bde javy na rzhraní pevnéh telesa a kvapaliny - kvapalina v nádbe vytvára dva typy pvrchv: dutý (vda aleb lieh v sklenej nádbe hvríe, že v týcht prípadch kvapaliny záča steny nádby) vypuklý (rtuť v sklenej nádbe hvríe, že kvapalina steny nádby nezáča) - zakrivenie vľnéh pvrchu kvapaliny spôsbuje skutčnsť, že lekuly kvapaliny, ktré sú na jej vľn pvrchu a súčasne v blízksti steny nádby, vzájne pôsbia nielen edzi sebu, ale aj s časticai pevnéh telesa a plynu nad vľný pvrch kvapaliny - veľksť sily, ktru pôsbia lekuly plynu na vybrané lekuly, je veľi alá. Výsledná sila je daná vektrvý súčt príťažlivej sily edzi lekulai a príťažlivej sily edzi lekulai kvapaliny a nádby ϑ ϑ - kvapalina je v rvnvážn stave, ak výsledná príťažlivá sila á ser klý na vľný pvrch kvapaliny, inak by nastal šyk vrstiev kvapaliny, pret sa pri stenách nádby tvrí zakrivený pvrch. Keď výslednica síl seruje vn z kvapaliny, pt je 2

3 vľný pvrch kvapaliny pri stene nádby dutý; keď výslednica seruje dvnútra kvapaliny, je vľný pvrch vypuklý. - uhl ϑ, ktrý zviera pvrch kvapaliny s pvrch steny, nazýva sa stykvý uhl. (pri dut pvrchu je d 0 d 90 ; pri vypukl pvrchu je d 90 d 180 ); ak stykvý uhl sa rvná nule, kvapalina dknale záča steny nádby; ak uhl je 180, kvapaliny dknale nezáča steny nádby kapilarita - zakrivenie vľnéh pvrchu kvapaliny v úzkych rúrkach (kapilárach) spôsbuje, že výslednicu pvrchvých síl je nenulvá sila, ktrá pôsbí kl na vľný pvrch kvapaliny; tát sila vyvláva kapilárny tlak p k - pre vľný pvrch kvapaliny guľvéh tvaru je kapilárny tlak daný vzťah: p k =, kde R je pler guľvéh pvrchu R - keď kapiláru pnríe d nádby s kvapalinu, ktrá záča steny nádby, tak s kapiláre vystúpi kvapalina d istej výšky h nad vľnu hladinu kvapaliny v nádbe; tt zvýšenie vľnej hladiny v kapiláre sa vlá kapilárna elevácia - keď kapiláru pnríe d kvapaliny, ktrá nezáča steny nádby (napr. rtuť), tak vľná hladina kvapaliny v kapiláre bude nižšie, ak je vľná hladina kvapaliny v nádbe; tt zníženie hladiny kvapaliny v kapiláre sa vlá kapilárna depresia - kapilárna elevácia: p pnrení kapiláry d kvapaliny sa v kapiláre s pler R utvrí dutý pvrch, ktrý á tvar plgule s pler R. Zakrivený t dutý pvrch kvapaliny v kapiláre pôsbí na kvapalinu silu v sere vn z kvapaliny, teda prti hydrstatickej sile h. á za následk, že v kapiláre vystúpi kvapalina d výšky h, pri ktrej je h hydrstatický tlak zdpvedajúci stĺpcu h rvnaký ak kapilárny tlak zdpvedajúci zakrivenéu pvrchu. ak kvapalina á husttu ρ, tak pre výšku h pri kapilárnej elevácii platí: hρg = h= R ρgr výška, d ktrej vystúpi kvapalina je nepria úerná pleru kapiláry - kapilárne javy ajú veľký význa v praxi. Napríklad vda vystupuje z hĺbky d pvrchvých vrstiev pôdy a vyparuje sa tent jav sa vlá vzlínavsť 11.2 zeny skupenstva látk - pevná látka, kvapalina a plyn sú sústavy, ktré sa skladajú z veľi veľkéh pčtu častíc. Keď á sústava v rvnvážn stave v všetkých častiach rvnaké fyzikálne a cheické vlastnsti, nazýva sa fáza. ázy sú napr. jedntlivé skupenstva látky (napr. ľad, vda, vdná para), rôzne kryštálvé štruktúry tej istej pevnej látky (napr. diaant a grafit); skúaná sústava ôže bsahvať viac fáz (napr. ľad + vdná para + vda). - prechd z jednej fázy d druhej sa vlá fázvá preena; jednu časť fázvých preien tvria zeny skupenstiev t h tpenie a tuhnutie - keď zhrievae teles z kryštalickej látky, zvyšuje sa jeh teplta a p dsiahnutí teplty tpenia t t sa preieňa na kvapalinu s tu istu tepltu tpí sa - keď sa teles s htnsťu a s tepltu tpenia preení na kvapalinu s tu istu tepltu, príje skupenské tepl tpenia L t. Pre telesá t t t Q 3

4 z rzličných látk tej istej htnsti je tát veličina rôzna, a pret sa zavádza erné skupenské tepl tpenia l t : Lt 1 lt =, [ l t ] = J. kg - keď kvapalinu, ktrá vznikla tpení kryštalickej látky, chladzujee, ení sa pri teplte tuhnutia (rvnajúcej sa teplte tpenia) na pevné teles tuhne; prit dvzdá kliu skupenské tepl tuhnutia rvnajúce sa L t - pevné arfné látky pri zhrievaní pstupne äknú, až sa preenia na kvapalinu, pret neajú stálu tepltu tpenia - tpenie a tuhnutie z hľadiska lekulvej fyziky: keď kryštalická látka prijía tepl, zväčšuje sa stredná kinetická energia kitavéh phybu častíc. Častice zväčšujú svje rzkity, čí sa zväčšuje aj stredná vzdialensť edzi nii. V dôsledku th sa zväčšuje aj strená ptenciálna energia častíc. Keď látka dsiahne tepltu tpenia, nadbúdajú rzkity také hdnty, že sa narušuje väzba edzi časticai riežky; riežka sa začne rzpadávať, látka sa tpí. Hci kryštalická látka pri tpení prijía tepl, neení sa stredná kinetická energia častíc, a tý ani teplta látky; zväčšuje sa však stredná ptenciálna energia častíc. Keď sa však látka rztpí a prijía ďalšie tepl, päť sa zväčšuje stredná kinetická energia častíc, a pret sa teplta kvapaliny zvyšuje. keď kvapalina, ktrá vznikla tpení kryštalickej látky, dvzdá tepl chladnejší telesá, ktré ju bklpujú, zenší sa stredná kinetická energia častíc, a tý aj teplta látky. Ak dsiahne tepltu tuhnutia, začnú sa v kvapaline vplyv väzbvých síl tvriť kryštalizačné jadrá, tzv. zárdky. K týt zárdk sa pripájajú a pravidelne uspradúvajú ďalšie častice látky. tak vzniká v tavenine pri kryštalizácii sústava vľne sa phybujúcich kryštálikv nepravidelnéh tvaru. V kaihu, keď všetka látka stuhne, kryštáliky sa navzáj dtýkajú a tvria zrná plykryštalická látka. Keď sa v tavenine utvrí iba jeden zárdk, na ktrý sa pstupne pripájajú častice látky, vznikne nkryštál. Krivka tpenia - pri väčšine látk sa s zvyšujúci tlak zvyšuje teplta p tpenia (napr. lv) tiet látky svj bje pri tpení zväčšujú p a pri tuhnutí zenšujú lv ľad - druhú skupinu tvria látky, ktré s zvyšujúci tlak ajú nižšiu tepltu tpenia (napr. ľad, antión, bizut) tiet látky svj bje pri tpení zenšujú a pri tuhnutí zväčšujú subliácia - preena látky z pevnéh skupenstva pria na plynné skupenstv sa vlá subliácia; pačný dej je desubliácia (pri nráln tlaku subliuje jód, gáfr, tuhý xid uhličitý, ľad aleb sneh) - erné skupenské tepl subliácie l s závisí d teplty, pri ktrej látka subliuje: L l = s s - keď je subliujúca látka s dstatčnu htnsťu v uzavretej nádbe, subliuje tak dlh, až sa edzi pevnu fázu a paru utvrí rvnvážny stav. Vzniknutá para sa nazýva nasýtená para. Keď je teplta knštantná, per htnsti plynnéh a pevnéh skupenstva p zstáva knštantný a tlak nasýtenej pary vzniknutý subliáciu na neení - závislsť tlaku nasýtenej pary d teplty vyjadruje subliačná krivka. Každý bd krivky znázrňuje rvnvážny stav edzi pevnu látku a nasýtenu paru vyparvanie, var, kvapalnenie - je t preena kvapaliny na paru; vyparvanie z vľnéh pvrchu prebieha pri každej teplte 4

5 - erné skupenské tepl vyparvania závisí d teplty (s zvyšujúcu tepltu erné skupenské tepl vyparvania klesá): L l = v v - keď kvapalinu zhrievae, pri dsiahnutí istej teplty pri dan klit tlaku sa vnútri kvapaliny tvria bubliny pary, ktré zväčšujú svj bje a vystupujú na vľný pvrch kvapaliny nastáva var. Pri vare sa kvapalina vyparuje nielen na vľn pvrchu, ale aj vnútri. - teplta t v, pri ktrej za danéh vnkajšieh tlaku nastáva var kvapaliny, nazýva sa teplta varu. eplta varu závisí d vnkajšieh tlaku (s zvyšvaní tlaku sa zvyšuje). Merné skupenské tepl varu sa rvná ernéu skupenskéu teplu vyparvania pri teplte varu kvapaliny. - vyparvanie z hľadiska lekulvej fyziky: lekuly kvapaliny knajú tepelný phyb. Keď niektré lekuly ajú na vľn pvrchu takú energiu, že sú schpné preknať sily, ktré ich pútajú k statný lekulá, pt tiet lekuly uniknú d priestru nad kvapalinu a utvria paru. Keďže pri vyparvaní kvapalinu púšťajú najrýchlejšie lekuly, zenšuje sa stredná kinetická energia lekúl kvapaliny, č á za následk zníženie teplty vyparujúcej sa kvapaliny. eplta vzniknutej pary sa však rvná teplte kvapaliny, leb lekuly pri pustení kvapaliny vplyv príťažlivých síl strácajú svju prebytčnú kinetickú energiu; ajú však väčšiu ptenciálnu energiu. - pačný dej k vyparvaniu je kvapalnenie (kndenzácia). Pri tt deji látka dvzdá svju kliu skupenské kndenzačné tepl. Merné skupenské kndenzačné tepl sa rvná ernéu skupenskéu teplu vyparvania rvnakej látky pri rzdielnej teplte krivka nasýtenej pary - pri vyparvaní kvapaliny v uzavretej nádbe je na začiatku tht deja pčet p lekúl, ktré púšťajú pvrch kvapaliny väčší, ak pčet lekúl, ktré za K rvnaký čas vracajú späť d kvapaliny, pret sa bje kvapaliny zenšuje a súčasne sa zväčšuje hustta a tlak pary nad kvapalinu. p ist čase vznikne A stav, keď pčet lekúl, ktré sa d kvapaliny za istý čas vracajú, rvná pčtu lekúl, ktré pvrch kvapaliny za rvnaký čas púšťajú. bjey kvapaliny a pary sa neenia, zstáva knštantný tlak pary a teplta sústavy kvapalina + para. Sústava je v rvnvážn stave, ktrý sa niekedy vlá dynaická rvnváha. Para, ktrá je v rvnvážn stave s svju kvapalinu, nazýva sa nasýtená para. lak nasýtenej pary nezávisí pri stálej teplte d bjeu pary; n s zvyšvaní teplty stúpa tlak. - pri zvyšvaní teplty rvnvážnej sústavy kvapalina + nasýtená para stúpa hustta nasýtenej pary a hustta kvapaliny klesá, a t až d kritickej teplty, keď hustta kvapaliny sa rvná hustte pary, a tak zizne rzhranie edzi paru a kvapalinu látka sa stane rvnrdu fázvý diagra - krivku tpenia k t, subliačnú krivku k s a krivku nasýtenej pary k p ôžee p zbraziť d jednej súradnicvej sústavy, a tak dstanee fázvý diagra, k I. t II. K všetky tri krivka sa stýkajú v jedn bde trjný bd, ktrý predstavuje k rvnvážny stav pevnej, kvapalnej a plynnej fázy tej istej látky (napr. sústava A p III ľad + vda + vdná para je v rvnváhe pri teplte 273,16 K a tlaku 610 Pa) k s - krivky tpenia, subliácie a nasýtenej pary rzdeľujú fázvý diagra na tri blasti. Keď je bd určujúci stav látky v blasti I, látka je v pevn skupenstve; bdy v blasti II znázrňujú rzličné stavy kvapaliny. Bdy blasti III zdpvedajú plynnéu skupenstvu látky, ktré á nižší tlak a husttu ak nasýtená para s rvnaku tepltu tt plynné skupenstv sa vlá prehriata para (ôžee ju získať zväčšení bjeu aleb zahriatí nasýtenej pary bez prítnsti kvapaliny). Plynné skupenstv s tepltu väčšu ak kritická teplta nazýva plyn. 5