Kapalina

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 8. června 2022; kontroly vyžadují 10 úprav .

Kapalina  - látka , která je v kapalném skupenství agregace , zaujímá mezilehlou polohu mezi pevným a plynným skupenstvím [1] .

Současně je stav agregace kapaliny, stejně jako stav agregace pevného tělesa, kondenzován, tedy takový, ve kterém jsou částice (atomy, molekuly, ionty) propojeny.

Hlavní vlastností kapaliny, která ji odlišuje od látek v jiných stavech agregace, je schopnost neomezeně měnit tvar působením tangenciálních mechanických napětí , dokonce i libovolně malých, při prakticky zachování objemu.

Obecné informace

Kapalné skupenství je obvykle považováno za přechod mezi pevným tělesem a plynem : plyn si nezachovává ani objem, ani tvar, zatímco pevná látka si zachovává obojí [2] .

Tvar kapalných těles může být zcela nebo částečně určen tím, že jejich povrch se chová jako elastická membrána. Voda se tedy může shromažďovat v kapkách. Ale kapalina je schopna proudit i pod svým nehybným povrchem, a to znamená i nezachování tvaru (vnitřních částí tělesa kapaliny).

Molekuly kapaliny nemají určitou polohu, ale zároveň nemají úplnou volnost pohybu. Je mezi nimi přitažlivost, dostatečně silná, aby je udržela blízko sebe.

Látka v kapalném stavu existuje v určitém teplotním rozmezí , pod kterým přechází do pevného skupenství ( dochází ke krystalizaci nebo přeměně na pevné amorfní skupenství - sklo ), nad - do plynného skupenství (dochází k vypařování). Hranice tohoto intervalu závisí na tlaku .

Látka v kapalném stavu má zpravidla pouze jednu modifikaci (nejvýznamnější výjimkou jsou kvantové kapaliny a tekuté krystaly ). Kapalina je proto ve většině případů nejen stavem agregace, ale také termodynamickou fází (kapalná fáze).

Všechny kapaliny se obvykle dělí na čisté kapaliny a směsi . Určité směsi tekutin jsou pro život velmi důležité: krev , mořská voda a další. Kapaliny mohou fungovat jako rozpouštědla .

Fyzikální vlastnosti kapalin

Tekutost

Tekutost je hlavní vlastností kapalin. Působí-li vnější síla na část tekutiny v rovnováze, pak dochází k proudění částic tekutiny ve směru, ve kterém tato síla působí: tekutina proudí. Působením nevyvážených vnějších sil si tedy kapalina nezachovává tvar a vzájemné uspořádání částí, a proto má podobu nádoby, ve které se nachází.

Na rozdíl od plastových pevných látek nemá kapalina mez kluzu : stačí vyvinout libovolně malou vnější sílu, aby kapalina tekla.

Zachování objemu

Jednou z charakteristických vlastností kapaliny je, že má určitý objem . Kapalina se mechanicky stlačuje velmi obtížně, protože na rozdíl od plynu je mezi molekulami velmi málo volného prostoru. Tlak vyvíjený na kapalinu uzavřenou v nádobě se beze změny přenáší do každého bodu objemu této kapaliny ( Pascalův zákon , platný i pro plyny). Tato vlastnost spolu s velmi nízkou stlačitelností se využívá u hydraulických strojů.

Kapaliny obvykle zvětšují svůj objem (expandují) při zahřívání a zmenšují svůj objem (stahují se) při ochlazení. Existují však výjimky, například voda se stlačuje při zahřátí, za normálního tlaku a teplotách od 0 °C do přibližně 4 °C.

Viskozita

Kromě toho jsou kapaliny (jako plyny) charakterizovány viskozitou . Je definována jako schopnost odolávat pohybu jedné z částí vůči druhé – tedy jako vnitřní tření.

Když se sousední vrstvy kapaliny pohybují vůči sobě navzájem, nevyhnutelně dochází ke srážce molekul kromě toho v důsledku tepelného pohybu . Existují síly, které zpomalují uspořádaný pohyb. V tomto případě se kinetická energie uspořádaného pohybu přemění na tepelnou energii – energii chaotického pohybu molekul.

Kapalina v nádobě, uvedená do pohybu a ponechána sama sobě, se postupně zastaví, ale její teplota se zvýší.

Volná tvorba povrchu a povrchové napětí

Díky zachování objemu je kapalina schopna tvořit volný povrch. Takový povrch je fázovým rozhraním dané látky: na jedné straně je kapalná fáze, na druhé straně plynná (pára) a případně další plyny, jako je vzduch.

Pokud jsou kapalná a plynná fáze téže látky v kontaktu, vznikají síly, které mají tendenci zmenšovat plochu rozhraní – síly povrchového napětí. Rozhraní se chová jako elastická membrána, která má tendenci se smršťovat.

Povrchové napětí lze vysvětlit přitažlivostí mezi molekulami kapaliny. Každá molekula přitahuje jiné molekuly, snaží se jimi „obklopit“, a tedy opustit povrch. V souladu s tím má povrch tendenci se zmenšovat.

Proto mýdlové bubliny a bubliny během varu mají tendenci nabývat kulového tvaru: pro daný objem má koule minimální povrch. Působí-li na kapalinu pouze síly povrchového napětí, nutně nabude kulového tvaru – například kapky vody ve stavu beztíže.

Malé předměty s hustotou větší než je hustota kapaliny jsou schopny „plavat“ na povrchu kapaliny, protože gravitační síla je menší než síla, která brání zvětšení plochy povrchu. (Viz povrchové napětí .)

Odpařování a kondenzace

Vypařování  je postupný přechod látky z kapalné do plynné fáze (páry).

Během tepelného pohybu některé molekuly opouštějí kapalinu jejím povrchem a mění se v páru. Zároveň část molekul přechází zpět z páry do kapaliny. Pokud kapalinu opustí více molekul, než přijde, dojde k odpařování.

Kondenzace  je zpětný děj, přechod látky z plynného skupenství do kapalného skupenství. V tomto případě přechází z páry do kapaliny více molekul než do páry z kapaliny.

Odpařování a kondenzace jsou nerovnovážné procesy , dochází k nim, dokud není ustavena místní rovnováha (pokud je ustavena), a kapalina se může zcela vypařit nebo se dostat do rovnováhy se svou párou, když kapalinu opustí tolik molekul, kolik se vrátí.

Vařit

Vaření  je proces odpařování uvnitř kapaliny. Při dostatečně vysoké teplotě se tlak páry stane vyšší než tlak uvnitř kapaliny a začnou se zde tvořit bublinky páry, které (gravitací) vyplavou nahoru.

Smáčení

Smáčení  je povrchový jev, ke kterému dochází při kontaktu kapaliny s pevným povrchem v přítomnosti páry, tedy na rozhraních tří fází.

Smáčení charakterizuje „přilnutí“ kapaliny k povrchu a jeho šíření (nebo naopak odpuzování a neroztékání). Existují tři případy: nesmáčení, omezené smáčení a úplné smáčení.

Mísitelnost

Mísitelnost  je schopnost kapalin se v sobě rozpouštět. Příklad mísitelných kapalin: voda a ethylalkohol , příklad nemísitelných kapalin: voda a kapalný olej .

Difúze

Když jsou v nádobě dvě mísitelné kapaliny, molekuly v důsledku tepelného pohybu začnou postupně procházet rozhraním, a tak se kapaliny postupně mísí. Tento jev se nazývá difúze (vyskytuje se i u látek v jiných stavech agregace).

Přehřátí a hypotermie

Kapalina může být zahřátá nad bod varu takovým způsobem, že nedojde k varu. To vyžaduje rovnoměrný ohřev, bez výrazných teplotních rozdílů v objemu a bez mechanických vlivů, jako jsou vibrace. Pokud je něco vhozeno do přehřáté kapaliny , okamžitě to vře. Přehřátou vodu snadno dostanete do mikrovlnky .

Podchlazení - ochlazení kapaliny pod bod mrazu bez přechodu do pevného stavu agregace . Stejně jako u přehřívání, podchlazení vyžaduje absenci vibrací a výrazných teplotních výkyvů.

Vlny hustoty

Ačkoli je kapalina extrémně obtížně stlačitelná, její objem a hustota se mění se změnou tlaku. Nestane se to okamžitě; takže pokud je komprimována jedna sekce, pak se taková komprese přenáší do dalších sekcí se zpožděním. To znamená, že elastické vlny , přesněji vlny hustoty , se mohou šířit uvnitř tekutiny . Spolu s hustotou se mění i další fyzikální veličiny, například teplota.

Pokud se při šíření vlny mění hustota spíše slabě, nazývá se taková vlna zvuková vlna neboli zvuk .

Pokud se hustota změní dostatečně silně, pak se taková vlna nazývá rázová vlna . Rázová vlna je popsána jinými rovnicemi.

Vlny hustoty v kapalině jsou podélné, to znamená, že hustota se mění ve směru šíření vln. V kapalině nejsou příčné elastické vlny z důvodu nezachování tvaru.

Elastické vlny v kapalině se časem rozpadají, jejich energie se postupně přeměňuje na tepelnou energii. Důvody tlumení jsou viskozita, " klasická absorpce ", molekulární relaxace a další. V tomto případě funguje tzv. druhá, neboli objemová viskozita – vnitřní tření se změnou hustoty. Následkem útlumu se rázová vlna po nějaké době přemění na vlnu zvukovou.

Elastické vlny v kapalině také podléhají rozptylu nehomogenitami vyplývajícími z náhodného tepelného pohybu molekul.

Vlny na povrchu

Pokud se část povrchu kapaliny posune z rovnovážné polohy, pak se působením vratných sil začne povrch pohybovat zpět do rovnovážné polohy. Tento pohyb se však nezastavuje, ale v blízkosti rovnovážné polohy přechází v kmitavý pohyb a šíří se do dalších oblastí. Takto se objevují vlny na povrchu kapaliny .

Pokud je vratnou silou převážně gravitace, pak se takové vlny nazývají gravitační vlny (nezaměňovat s gravitačními vlnami ). Gravitační vlny na vodě jsou vidět všude.

Pokud je vratná síla převážně síla povrchového napětí, pak se takové vlny nazývají kapilární .

Pokud jsou tyto síly srovnatelné, nazýváme tyto vlny kapilárně-gravitačními vlnami .

Vlny na povrchu kapaliny jsou tlumeny viskozitou a dalšími faktory.

Koexistence s jinými fázemi

Formálně řečeno, pro rovnovážnou koexistenci kapalné fáze s dalšími fázemi téže látky – plynné nebo krystalické – jsou potřeba přesně definované podmínky. Takže při daném tlaku je potřeba přesně definovaná teplota. Přesto v přírodě a technice všude koexistuje kapalina s párou nebo také s pevným skupenstvím - například voda s vodní párou a často s ledem (pokud páru považujeme za samostatnou fázi přítomnou spolu se vzduchem). Důvodem jsou následující důvody:

Teorie

Mechanika

Studium pohybu a mechanické rovnováhy kapalin a plynů a jejich vzájemného působení a interakce s pevnými tělesy je předmětem části mechaniky zvané hydroaeromechanika (často též hydrodynamika). Mechanika tekutin je součástí obecnějšího odvětví mechaniky, mechaniky kontinua .

Mechanika tekutin je obor mechaniky tekutin, který se zabývá nestlačitelnými tekutinami. Protože je stlačitelnost kapalin velmi malá, lze ji v mnoha případech zanedbat. Dynamika plynů se věnuje studiu stlačitelných kapalin a plynů .

Hydromechanika se dělí na hydrostatiku , která studuje rovnováhu nestlačitelných tekutin, a hydrodynamiku (v úzkém smyslu), která studuje jejich pohyb.

Pohyb elektricky vodivých a magnetických kapalin je studován v magnetohydrodynamice . Hydraulika se používá k řešení aplikovaných problémů .

Základním zákonem hydrostatiky je Pascalův zákon .

Pohyb ideální nestlačitelné tekutiny popisuje Eulerova rovnice . Pro stacionární proudění takové tekutiny platí Bernoulliho zákon . Výtok tekutiny z otvorů popisuje Torricelliho vzorec .

Pohyb viskózní tekutiny je popsán Navier-Stokesovou rovnicí , ve které lze vzít v úvahu také stlačitelnost.

Elastické vibrace a vlny v tekutině (a v jiných médiích) jsou studovány v akustice . Hydroakustika  je část akustiky, která studuje zvuk ve skutečném vodním prostředí pro účely podvodní lokalizace , komunikace atd.

Molekulárně kinetické úvahy

Celkový stav hmoty je určen vnějšími podmínkami, zejména tlakem a teplotou . Charakteristickými parametry jsou průměrná kinetická energie molekuly a průměrná energie interakce mezi molekulami (na jednu molekulu) . U kapalin jsou tyto energie přibližně stejné: u pevných látek je energie interakce mnohem větší než kinetická energie, u plynů mnohem menší.

Klasifikace kapalin

Struktura a fyzikální vlastnosti kapaliny závisí na chemické identitě jejich základních částic a na povaze a velikosti vzájemného působení mezi nimi. V pořadí podle rostoucí složitosti lze rozlišit několik skupin kapalin.

  1. Atomové kapaliny nebo kapaliny atomů nebo kulových molekul vázané centrálními van der Waalsovými silami (kapalný argon , kapalný metan ).
  2. Kapaliny dvouatomových molekul skládající se z identických atomů (kapalný vodík ) nebo iontů (kapalný sodík , rtuť ), ve kterých jsou částice ( ionty ) vázány Coulombovými silami s velkým dosahem .
  3. Kapaliny sestávající z polárních molekul spojených interakcí dipól-dipól (kapalný bromovodík ).
  4. Přidružené kapaliny nebo kapaliny s vodíkovými vazbami ( voda , glycerin ).
  5. Kapaliny skládající se z velkých molekul, pro které jsou zásadní vnitřní stupně volnosti .

Kapaliny prvních dvou skupin (někdy i tří) se obvykle nazývají jednoduché. Jednoduché kapaliny byly studovány lépe než jiné; z nejednoduchých kapalin byla nejlépe prostudována voda. Tato klasifikace nezahrnuje kvantové kapaliny a tekuté krystaly , což jsou zvláštní případy a je třeba je posuzovat samostatně.

V dynamice tekutin se tekutiny dělí na newtonské a nenewtonské . Proudění newtonské tekutiny se řídí Newtonovým zákonem viskozity , tj. smykové napětí a gradient rychlosti jsou lineárně závislé . Faktor úměrnosti mezi těmito veličinami je známý jako viskozita [3] [4] [5] . V nenewtonské kapalině závisí viskozita na gradientu rychlosti. [6] [7]

Statistická teorie

Struktura a termodynamické vlastnosti kapalin jsou nejúspěšněji zkoumány pomocí Percus-Yevickovy rovnice .

Pokud použijeme model pevných kuliček, to znamená, že molekuly kapaliny považujeme za kuličky o průměru , pak lze Percus-Yevickovu rovnici řešit analyticky a získat stavovou rovnici kapaliny:

kde  je počet částic na jednotku objemu,  je bezrozměrná hustota. Při nízkých hustotách se tato rovnice stává stavovou rovnicí pro ideální plyn : . Pro extrémně vysoké hustoty, , se získá stavová rovnice pro nestlačitelnou tekutinu: .

Model tvrdé koule nebere v úvahu přitažlivost mezi molekulami, takže při změně vnějších podmínek nedochází k ostrému přechodu mezi kapalinou a plynem.

Pokud mají být získány přesnější výsledky, pak nejlepšího popisu struktury a vlastností kapaliny je dosaženo pomocí teorie poruch . V tomto případě je model tvrdé koule považován za nulovou aproximaci a přitažlivé síly mezi molekulami jsou považovány za poruchy a poskytují opravy.

Cluster theory

Jednou z moderních teorií je „teorie klastrů“. Vychází z myšlenky, že kapalina je reprezentována jako kombinace pevné látky a plynu. V tomto případě se částice pevné fáze (krystaly pohybující se na krátké vzdálenosti) nacházejí v oblaku plynu a tvoří shlukovou strukturu. Energie částic odpovídá Boltzmannově distribuci , zatímco průměrná energie systému zůstává konstantní (za podmínky jeho izolace). Pomalé částice narážejí do shluků a stávají se jejich součástí. Konfigurace shluků se tedy neustále mění, systém je ve stavu dynamické rovnováhy . Při vytváření vnějšího vlivu se systém bude chovat podle principu Le Chatelier . Je tedy snadné vysvětlit fázovou transformaci:

Podle jiného názoru [9] [10] je klastrová teorie kapaliny, jako látky, která je v kondenzovaném (vázaném) stavu (zachování objemu), a nikoli ve stavu „plynotěsné“ poruchy. založené na myšlence klastrů jako zbytků po průchodu bodem tání dynamických struktur s konstantním (pro danou teplotu) průměrným počtem porušení a obnovení meziklastrových a vnitroklastrových meziatomových vazeb, které zajišťují zachování objemu a určit pohyblivost (tekutost) a chemickou aktivitu kapaliny. Se stoupající teplotou se počet atomů v klastrech snižuje v důsledku nárůstu přerušených vazeb. Vzniklé volné atomy (molekuly) se vypařují z povrchu kapaliny nebo zůstávají v mezishlukovém prostoru jako rozpuštěný plyn (pára). Při bodu varu přechází látka do jednoatomového (monomolekulárního) plynného (párového) skupenství.

Experimentální metody studia

Struktura kapalin je studována pomocí metod rentgenové strukturní analýzy , elektronové difrakce a neutronové difrakce .

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Fluid - článek z Fyzické encyklopedie
  2. ↑ V technické hydromechanice se plyn také někdy nazývá kapalina v širokém smyslu slova; v tomto případě se kapalina v užším slova smyslu nazývá kapková kapalina .
  3. ↑ „Fyzická encyklopedie“. V 5 svazcích. M.: "Sovětská encyklopedie", 1988
  4. ↑ Šéfredaktor A. M. Prochorov. Newtonovská tekutina // Fyzikální encyklopedický slovník. — M.: Sovětská encyklopedie . — 1983.
  5. ↑ Newtonská tekutina - článek z Fyzické encyklopedie
  6. ↑ Wilkinson W. L., Nenewtonské tekutiny, přel. z angličtiny, M., 1964
  7. ↑ Astarita J., Marrucci J., Základy hydromechaniky nenewtonských tekutin, přel. z angličtiny, M., 1978
  8. ↑ Andreev V.D. Vybrané problémy teoretické fyziky . - Kyjev: Outpost-Prim,. — 2012.
  9. ↑ Andreev V. D. Crash (crash)-konformační kinematika kovalentní mřížky diamantu během tavení // Journal of Structural Chemistry . - 2001. - č. 3 . - S. 486-495 .
  10. ↑ Andreev V. D. "Faktor tání" v meziatomových interakcích v diamantové mřížce // Chemická fyzika . - 2002. - č. 8, v.21 . - S. 35-40 .

Literatura

Odkazy

  Přejděte na položku Wikidata  Tematické stránky
Slovníky a encyklopedie