Je známo, že vše, co člověka obklopuje, včetně jeho samotného, jsou těla sestávající z látek. Ty jsou zase vytvořeny z molekul, ty druhé z atomů a jsou z ještě menších struktur. Okolní rozmanitost je však tak velká, že je těžké si představit byť jen jakousi pospolitost. A existuje. Sloučeniny se počítají v milionech, každá z nich je jedinečná svými vlastnostmi, strukturou a rolí. Celkem se rozlišuje několik fázových stavů, podle kterých lze všechny látky korelovat.
Stavy hmoty
Pro agregovaný stav sloučenin existují čtyři možnosti.
- Plyny.
- Solids.
- Kapaliny.
- Plazma je vysoce zředěný ionizovaný plyn.
V tomto článku se budeme zabývat vlastnostmi kapalin, jejich strukturními vlastnostmi a možnými výkonnostními parametry.
Klasifikace tekutých těles
Toto rozdělení je založeno na vlastnostech kapalin, jejich struktuře a chemické struktuře a také na typech interakcí mezi částicemi, které tvoří sloučeninu.
- Takové kapaliny, které se skládají z atomů držených pohromadě Van der Waalsovými silami. Příkladem jsou kapalné plyny (argon, metan a další).
- Látky, které se skládají ze dvou stejných atomů. Příklady: zkapalněné plyny – vodík, dusík, kyslík a další.
- Tekuté kovy – rtuť.
- Látky sestávající z prvků spojených kovalentními polárními vazbami. Příklady: chlorovodík, jodovodík, sirovodík a další.
- Sloučeniny, ve kterých jsou přítomny vodíkové vazby. Příklady: voda, alkoholy, amoniak v roztoku.
Existují také speciální struktury – například tekuté krystaly, nenewtonské kapaliny, které mají speciální vlastnosti.
Zvážíme základní vlastnosti kapaliny, které ji odlišují od všech ostatních stavů agregace. Především jsou to ty, které se běžně nazývají fyzické.
Vlastnosti kapalin: tvar a objem
Celkem lze rozlišit asi 15 charakteristik, které nám umožňují popsat, o jaké látky se jedná a jaká je jejich hodnota a vlastnosti.
Úplně první fyzikální vlastnosti kapaliny, které mě napadnou při zmínce o tomto stavu agregace, je schopnost měnit tvar a zabírat určitý objem. Pokud tedy mluvíme například o formě kapalných látek, pak je obecně přijímáno považovat ji za nepřítomnou. To však není tento případ.
Působením dobře známé gravitační síly podléhají kapky hmoty určité deformaci, takže se jejich tvar zlomí a stane se neurčitým. Pokud však umístíte pokles do podmínek, za kterých gravitace nepůsobínebo silně omezený, pak bude mít ideální tvar koule. Člověk, který se považuje za zběhlého ve fyzice, by tedy měl po zadání úkolu: „Jmenovat vlastnosti kapalin“tuto skutečnost zmínit.
Pokud jde o objem, zde bychom si měli povšimnout obecných vlastností plynů a kapalin. Oba jsou schopni obsadit celý objem prostoru, ve kterém se nacházejí, omezený pouze stěnami plavidla.
Viskozita
Fyzikální vlastnosti kapalin jsou velmi rozmanité. Jeden z nich je ale unikátní, například viskozita. Co to je a jak je definováno? Hlavní parametry, na kterých závisí uvažovaná hodnota, jsou:
- tangenciální napětí;
- gradient rychlosti pohybu.
Závislost uvedených hodnot je lineární. Pokud to vysvětlíme jednoduššími slovy, pak viskozita, stejně jako objem, jsou takové vlastnosti kapalin a plynů, které jsou jim společné a znamenají neomezený pohyb bez ohledu na vnější síly. To znamená, že pokud voda vytéká z nádoby, bude tak činit i nadále za jakýchkoliv vlivů (gravitace, tření a dalších parametrů).
To se liší od nenewtonských kapalin, které jsou viskóznější a mohou za sebou zanechat díry, které se časem zaplní.
Na čem bude tento indikátor záviset?
- Z teploty. S rostoucí teplotou viskozita některých kapalin roste, zatímco jiných naopakklesá. Záleží na konkrétní sloučenině a její chemické struktuře.
- Od tlaku. Zvýšení způsobí zvýšení indexu viskozity.
- Z chemického složení hmoty. Viskozita se mění v přítomnosti nečistot a cizích složek ve vzorku čisté látky.
Tepelný výkon
Tento termín označuje schopnost látky absorbovat určité množství tepla, aby se zvýšila její vlastní teplota o jeden stupeň Celsia. Pro tento indikátor existují různá připojení. Některé mají větší, jiné menší tepelnou kapacitu.
Například voda je velmi dobrý akumulátor tepla, což umožňuje její široké využití pro topné systémy, vaření a další potřeby. Obecně platí, že index tepelné kapacity je přísně individuální pro každou jednotlivou kapalinu.
Povrchové napětí
Často se jim po zadání úkolu: „Pojmenujte vlastnosti kapalin“okamžitě vybaví povrchové napětí. Ostatně děti se s ním seznamují na hodinách fyziky, chemie a biologie. A každá položka vysvětluje tento důležitý parametr ze své vlastní strany.
Klasická definice povrchového napětí je následující: je to fázové rozhraní. To znamená, že v době, kdy kapalina zabírá určitý objem, hraničí navenek s plynným prostředím - vzduchem, párou nebo nějakou jinou látkou. V místě kontaktu tedy dochází k oddělení fází.
Zároveň mají molekuly tendenci obklopovat se co největším počtem částic, a tak vést, jak to bylo, kstlačování tekutiny jako celku. Povrch se proto zdá být napnutý. Stejná vlastnost může také vysvětlit kulový tvar kapiček kapaliny bez gravitace. Ostatně právě tato forma je z hlediska energie molekuly ideální. Příklady:
- mýdlové bubliny;
- vroucí voda;
- tekuté kapky v beztíži.
Některý hmyz se přizpůsobil „chůzi“po hladině vody právě kvůli povrchovému napětí. Příklady: vodní jezdci, vodní ptactvo, někteří červi.
Barva
Kapaliny a pevné látky mají společné vlastnosti. Jedním z nich je tekutost. Celý rozdíl je v tom, že u prvního je neomezený. Co je podstatou tohoto parametru?
Pokud na tekuté těleso působíte vnější silou, rozdělí se na části a oddělí je od sebe, to znamená, že poteče. V tomto případě každá část opět vyplní celý objem nádoby. U pevných látek je tato vlastnost omezená a závisí na vnějších podmínkách.
Závislost vlastností na teplotě
Patří sem tři parametry, které charakterizují látky, které zvažujeme:
- overheat;
- cooling;
- vroucí.
Vlastnosti kapalin, jako je přehřívání a podchlazení, přímo souvisejí s kritickými body varu a tuhnutím (body). Přehřátá kapalina je kapalina, která při vystavení teplotě překonala práh kritického bodu ohřevu, ale nevykazuje vnější známky varu.
Supercooled, respkapalina, která pod vlivem nízkých teplot překročila práh kritického bodu přechodu do jiné fáze, ale nestala se pevnou látkou.
V prvním i druhém případě existují podmínky pro projevení takových vlastností.
- Žádné mechanické účinky na systém (pohyb, vibrace).
- Rovnoměrná teplota, bez náhlých skoků a poklesů.
Zajímavým faktem je, že pokud vhodíte cizí předmět do přehřáté kapaliny (například vody), okamžitě se uvaří. Můžete ho získat zahřátím pod vlivem záření (v mikrovlnné troubě).
Koexistence s jinými fázemi hmoty
Pro tento parametr existují dvě možnosti.
- Kapalina – plyn. Takové systémy jsou nejrozšířenější, protože existují všude v přírodě. Koneckonců, odpařování vody je součástí přirozeného koloběhu. V tomto případě výsledná pára existuje současně s kapalnou vodou. Pokud mluvíme o uzavřeném systému, pak i tam dochází k vypařování. Jde jen o to, že pára se velmi rychle nasytí a celý systém se jako celek dostane do rovnováhy: kapalina - nasycená pára.
- Kapalina – pevné látky. Zejména na takových systémech je patrná ještě jedna vlastnost - smáčivost. Při interakci vody a pevné látky může být pevná látka zcela, částečně smáčená nebo dokonce vodu odpuzovat. Existují sloučeniny, které se ve vodě rozpouštějí rychle a prakticky neomezeně dlouho. Jsou tací, kteří toho vůbec nejsou schopni (některé kovy, diamant a další).
Obecně se obor hydroaeromechanika zabývá studiem interakce kapalin se sloučeninami v jiných stavech agregace.
Stlačitelnost
Základní vlastnosti tekutiny by byly neúplné, kdybychom se nezmínili o stlačitelnosti. Tento parametr je samozřejmě typičtější pro plynové systémy. Ty, o kterých uvažujeme, však mohou být za určitých podmínek také komprimovány.
Hlavním rozdílem je rychlost procesu a jeho jednotnost. Zatímco plyn lze stlačit rychle a pod nízkým tlakem, kapaliny jsou stlačovány nerovnoměrně, dostatečně dlouho a za speciálně vybraných podmínek.
Vypařování a kondenzace kapalin
Toto jsou další dvě vlastnosti kapaliny. Fyzika jim poskytuje následující vysvětlení:
- Vypařování je proces, který charakterizuje postupný přechod látky z kapalného stavu agregace do pevného stavu. To se děje pod vlivem tepelných účinků na systém. Molekuly se začnou pohybovat a změnou krystalové mřížky přecházejí do plynného stavu. Proces může pokračovat, dokud se všechna kapalina nepřemění na páru (u otevřených systémů). Nebo dokud nebude ustavena rovnováha (u uzavřených nádob).
- Kondenzace je proces opačný k výše uvedenému. Zde pára přechází na molekuly kapaliny. To se děje, dokud není ustavena rovnováha nebo úplný fázový přechod. Pára uvolňuje do kapaliny více částic než do ní.
Typickými příklady těchto dvou procesů v přírodě jsou vypařování vody z povrchu Světového oceánu, její kondenzace vhorní atmosféra a pak spad.
Mechanické vlastnosti kapaliny
Tyto vlastnosti jsou předmětem studia takové vědy, jako je hydromechanika. Konkrétně její část, teorie mechaniky tekutin a plynů. Mezi hlavní mechanické parametry charakterizující uvažovaný stav agregace látek patří:
- hustota;
- share;
- viskozita.
Pod hustotou kapalného tělesa rozumíme jeho hmotnost, která je obsažena v jedné jednotce objemu. Tento indikátor se u různých sloučenin liší. K tomuto indikátoru již existují vypočítaná a experimentálně naměřená data, která jsou zanesena do speciálních tabulek.
Za specifickou hmotnost se považuje hmotnost jedné objemové jednotky kapaliny. Tento indikátor je vysoce závislý na teplotě (jak stoupá, jeho hmotnost klesá).
Proč studovat mechanické vlastnosti kapalin? Tyto znalosti jsou důležité pro pochopení procesů probíhajících v přírodě, uvnitř lidského těla. Také při tvorbě technických prostředků, různých výrobků. Koneckonců, kapalné látky jsou jednou z nejběžnějších agregovaných forem na naší planetě.
Nenewtonské kapaliny a jejich vlastnosti
Vlastnosti plynů, kapalin, pevných látek jsou předmětem studia fyziky, stejně jako některých příbuzných oborů. Kromě tradičních kapalných látek však existují i tzv. nenewtonské, kterými se tato věda rovněž zabývá. Co jsou zač a proč je dostalijaký je název?
Abyste pochopili, co tyto sloučeniny jsou, zde jsou nejčastější příklady v domácnostech:
- „Sliz“hraný dětmi;
- „žvýkačka na ruce“nebo žvýkačka na ruce;
- běžný stavební nátěr;
- roztok škrobu ve vodě atd.
To znamená, že se jedná o kapaliny, jejichž viskozita se řídí gradientem rychlosti. Čím rychlejší je náraz, tím vyšší je index viskozity. Když tedy žvýkačka na ruce dopadne ostrým úderem na podlahu, změní se na zcela pevnou látku, která se může rozbít na kusy.
Pokud to necháte být, během několika minut se rozteče do lepkavé louže. Nenewtonské kapaliny jsou svými vlastnostmi zcela unikátní látky, které byly využívány nejen pro technické účely, ale také pro kulturní a každodenní účely.
