V každodenním životě se neustále setkáváme se třemi skupenstvími hmoty – kapalným, plynným a pevným. Máme poměrně jasnou představu o tom, co jsou pevné látky a plyny. Plyn je soubor molekul, které se náhodně pohybují ve všech směrech. Všechny molekuly pevného tělesa si zachovávají vzájemné uspořádání. Pouze mírně oscilují.
Vlastnosti kapalné látky
A co jsou tekuté látky? Jejich hlavním rysem je, že zaujímají mezilehlou polohu mezi krystaly a plyny a spojují určité vlastnosti těchto dvou stavů. Například pro kapaliny, stejně jako pro pevná (krystalická) tělesa, je charakteristická přítomnost objemu. Zároveň však kapalné látky, stejně jako plyny, přebírají tvar nádoby, ve které se nacházejí. Mnozí z nás věří, že nemají vlastní podobu. Nicméně není. Přirozená forma jakékoli kapaliny -míč. Gravitace mu obvykle brání zaujmout tento tvar, takže kapalina buď zaujme tvar nádoby, nebo se rozprostře po povrchu.
Z hlediska svých vlastností je kapalné skupenství látky obzvláště složité kvůli její mezilehlé poloze. Začalo se zkoumat od dob Archiméda (před 2200 lety). Analýza toho, jak se chovají molekuly kapalné látky, je však stále jednou z nejobtížnějších oblastí aplikované vědy. Dosud neexistuje obecně uznávaná a zcela úplná teorie kapalin. O jejich chování však můžeme něco říci zcela určitě.
Chování molekul v kapalině
Tekutina je něco, co může proudit. Řád krátkého dosahu je pozorován v uspořádání jeho částic. To znamená, že je uspořádáno umístění nejbližších sousedů vzhledem k jakékoli částici. Jak se však vzdaluje od ostatních, její postavení vůči nim je stále méně uspořádané, a pak ten řád úplně mizí. Kapalné látky jsou tvořeny molekulami, které se pohybují mnohem volněji než v pevných látkách (a ještě volněji v plynech). Každý z nich po určitou dobu spěchá nejprve jedním směrem, pak druhým, aniž by se vzdaloval od svých sousedů. Molekula kapaliny však čas od času vypadne z prostředí. Dostane se na nové místo přestěhováním na jiné místo. Zde opět po určitou dobu dělá kývavé pohyby.
Příspěvek Y. I. Frenkela ke studiu kapalin
I. Na vývoji řady má velkou zásluhu sovětský vědec I. Frenkelproblémy na takové téma, jako jsou kapalné látky. Chemie díky jeho objevům velmi pokročila. Domníval se, že tepelný pohyb v kapalinách má následující charakter. Každá molekula po určitou dobu kmitá kolem rovnovážné polohy. Čas od času však mění své místo a přechází náhle do nové polohy, která je od předchozí oddělena vzdáleností přibližně velikosti této molekuly. Jinými slovy, uvnitř kapaliny se molekuly pohybují, ale pomalu. Někdy zůstávají poblíž určitých míst. Jejich pohyb je tedy něco jako směs pohybů v plynu a v pevném tělese. Výkyvy na jednom místě po chvíli vystřídá volný přechod z místa na místo.
Tlak v kapalině
Některé vlastnosti kapalných látek jsou nám známy díky neustálé interakci s nimi. Ze zkušenosti každodenního života tedy víme, že na povrch pevných těles, která s ním přicházejí do styku, působí určitými silami. Říká se jim tlakové síly tekutiny.
Například při otevírání vodovodního kohoutku prstem a pouštění vody cítíme, jak tlačí na prst. A plavec, který se ponořil do velkých hloubek, nepociťuje náhodou bolest v uších. Vysvětluje se to tím, že na bubínek působí tlakové síly. Voda je kapalná látka, má tedy všechny své vlastnosti. Aby bylo možné měřit teplotu vody v hloubce moře, velmi silnéteploměry, aby je nemohl rozdrtit tlak kapaliny.
Tento tlak je způsoben kompresí, tj. změnou objemu kapaliny. Má elasticitu ve vztahu k této změně. Síly tlaku jsou síly pružnosti. Pokud tedy tekutina působí na tělesa, která jsou s ní v kontaktu, je stlačena. Protože se hustota látky během stlačování zvyšuje, můžeme předpokládat, že kapaliny mají elasticitu ve vztahu ke změně hustoty.
Vypařování
Pokračováním v úvahách o vlastnostech kapalné látky přejdeme k odpařování. V blízkosti jejího povrchu, ale i přímo v povrchové vrstvě působí síly, které zajišťují samotnou existenci této vrstvy. Neumožňují molekulám v něm opustit objem kapaliny. V důsledku tepelného pohybu však některé z nich vyvinou poměrně vysoké rychlosti, s jejichž pomocí je možné tyto síly překonat a opustit kapalinu. Tomuto jevu říkáme vypařování. Lze ji pozorovat při jakékoli teplotě vzduchu, s jejím nárůstem se však zvyšuje intenzita vypařování.
Kondenzace
Pokud jsou molekuly, které opustily kapalinu, odstraněny z prostoru poblíž jejího povrchu, pak se všechny nakonec vypaří. Pokud molekuly, které ji opustily, nejsou odstraněny, tvoří páru. Molekuly páry, které spadly do oblasti blízko povrchu kapaliny, jsou do ní vtahovány přitažlivými silami. Tento proces se nazývá kondenzace.
Proto,pokud se molekuly neodstraňují, rychlost odpařování se časem snižuje. Pokud se hustota par dále zvýší, dojde k situaci, kdy počet molekul opouštějících kapalinu za určitý čas bude roven počtu molekul, které se do ní za stejnou dobu vrátí. To vytváří stav dynamické rovnováhy. Pára v něm se nazývá nasycená. Jeho tlak a hustota se zvyšují s rostoucí teplotou. Čím vyšší je, tím větší počet molekul kapaliny má dostatečnou energii pro vypařování a tím větší musí být hustota páry, aby se kondenzace rovnala vypařování.
Vaření
Když se v procesu zahřívání kapalných látek dosáhne teploty, při které mají nasycené páry stejný tlak jako vnější prostředí, ustaví se rovnováha mezi nasycenou párou a kapalinou. Pokud kapalina předá dodatečné množství tepla, odpovídající množství kapaliny se okamžitě přemění na páru. Tento proces se nazývá var.
Vaření je intenzivní odpařování kapaliny. Vyskytuje se nejen z povrchu, ale týká se celého jeho objemu. Uvnitř kapaliny se objevují bublinky páry. Aby molekuly přešly z kapaliny do páry, potřebují získat energii. Je potřeba překonat přitažlivé síly, které je drží v kapalině.
Bod varu
Bod varu je bod, při kterémexistuje rovnost dvou tlaků – vnější a nasycené páry. Zvyšuje se, když se tlak zvyšuje, a snižuje se, když tlak klesá. Vzhledem k tomu, že tlak v kapalině se mění s výškou sloupce, dochází v něm k varu na různých úrovních při různých teplotách. Pouze sytá pára, která je při varu nad povrchem kapaliny, má určitou teplotu. Je určen pouze vnějším tlakem. To je to, co máme na mysli, když mluvíme o bodu varu. Liší se pro různé kapaliny, což je široce používáno ve strojírenství, zejména při destilaci ropných produktů.
Latentní výparné teplo je množství tepla potřebné k přeměně izotermicky definovaného množství kapaliny na páru, pokud je vnější tlak stejný jako tlak nasycených par.
Vlastnosti tekutých filmů
Všichni víme, jak získat pěnu rozpuštěním mýdla ve vodě. Nejde o nic jiného než o spoustu bublin, které jsou omezeny nejtenčím filmem tvořeným kapalinou. Z pěnící kapaliny však lze také získat samostatný film. Jeho vlastnosti jsou velmi zajímavé. Tyto fólie mohou být velmi tenké: jejich tloušťka v nejtenčích částech nepřesahuje stotisícinu milimetru. Přesto jsou někdy velmi stabilní. Mýdlový film může být deformován a natahován, proud vody jím může projít, aniž by ji zničil. Jak vysvětlit takovou stabilitu? Aby se film objevil, je nutné do čisté kapaliny přidat látky, které se v něm rozpouštějí. Ale ne jakýkoli, ale takový,které výrazně snižují povrchové napětí.
Tekuté filmy v přírodě a technologii
V technice a přírodě se především nesetkáváme s jednotlivými fóliemi, ale s pěnou, což je jejich kombinace. Často ji lze pozorovat v tocích, kde malé potůčky spadají do klidné vody. Schopnost vody pěnit je v tomto případě spojena s přítomností organické hmoty v ní, kterou vylučují kořeny rostlin. To je příklad toho, jak přírodní tekuté látky pění. Ale co technologie? Při stavbě se například používají speciální materiály, které mají buněčnou strukturu připomínající pěnu. Jsou lehké, levné, dostatečně pevné, špatně vedou zvuk a teplo. K jejich získání se do speciálních roztoků přidávají pěnidla.
Závěr
Takže jsme se naučili, jaké látky jsou kapalné, zjistili jsme, že kapalina je přechodným stavem hmoty mezi plynným a pevným. Proto má vlastnosti charakteristické pro oba. Tekuté krystaly, které jsou dnes široce používány v technologii a průmyslu (například displeje z tekutých krystalů), jsou ukázkovým příkladem tohoto stavu hmoty. Spojují vlastnosti pevných látek a kapalin. Je těžké si představit, jaké kapalné látky věda v budoucnu vymyslí. Je však jasné, že v tomto stavu hmoty je velký potenciál, který lze využít ve prospěch lidstva.
Zvláštní zájem o zvažování probíhajících fyzikálních a chemických procesův kapalném stavu, a to z toho důvodu, že samotný člověk se skládá z 90 % z vody, která je nejrozšířenější kapalinou na Zemi. Právě v ní probíhají všechny životně důležité procesy jak v rostlinném, tak ve světě zvířat. Proto je pro nás všechny důležité studovat kapalné skupenství hmoty.
