V každodennom živote sa neustále stretávame s tromi skupenstvami hmoty – kvapalným, plynným a pevným. Máme pomerne jasnú predstavu o tom, čo sú pevné látky a plyny. Plyn je súbor molekúl, ktoré sa náhodne pohybujú vo všetkých smeroch. Všetky molekuly pevného telesa si zachovávajú vzájomné usporiadanie. Len mierne oscilujú.
Vlastnosti tekutej látky
A čo sú tekuté látky? Ich hlavnou črtou je, že zaujímajúc strednú polohu medzi kryštálmi a plynmi, spájajú určité vlastnosti týchto dvoch stavov. Napríklad pre kvapaliny, ako aj pre pevné (kryštalické) telesá je charakteristická prítomnosť objemu. Kvapalné látky, podobne ako plyny, však zároveň nadobúdajú tvar nádoby, v ktorej sa nachádzajú. Mnohí z nás veria, že nemajú vlastnú podobu. Avšak nie je. Prirodzená forma akejkoľvek tekutiny -loptu. Gravitácia mu zvyčajne bráni zaujať tento tvar, takže kvapalina buď zaujme tvar nádoby, alebo sa rozleje po povrchu.
Pokiaľ ide o vlastnosti, kvapalné skupenstvo látky je obzvlášť zložité, vzhľadom na jej strednú polohu. Začalo sa skúmať od čias Archimeda (pred 2200 rokmi). Analýza správania sa molekúl kvapalnej látky je však stále jednou z najťažších oblastí aplikovanej vedy. Stále neexistuje všeobecne akceptovaná a úplne úplná teória kvapalín. O ich správaní však môžeme niečo povedať celkom určite.
Správanie molekúl v kvapaline
Tekutina je niečo, čo môže prúdiť. V usporiadaní jeho častíc sa pozoruje rád krátkeho dosahu. To znamená, že umiestnenie susedov, ktoré sú k nej najbližšie, vzhľadom na akúkoľvek časticu, je usporiadané. Ako sa však vzďaľuje od ostatných, jej postavenie vo vzťahu k nim je čoraz menej usporiadané a potom tento poriadok úplne zmizne. Kvapalné látky sú tvorené molekulami, ktoré sa pohybujú oveľa voľnejšie ako v pevných látkach (a ešte voľnejšie v plynoch). Na určitý čas sa každý z nich ponáhľa najskôr jedným smerom, potom druhým, bez toho, aby sa vzdialil od svojich susedov. Molekula kvapaliny však z času na čas vypadne z prostredia. Na nové miesto sa dostane presťahovaním sa na iné miesto. Tu opäť po určitý čas robí kolísavé pohyby.
Príspevok I. Frenkela k štúdiu tekutín
I. Na vývoji množstva má veľkú zásluhu sovietsky vedec I. Frenkelproblémy na takú tému, ako sú kvapalné látky. Chémia vďaka jeho objavom veľmi pokročila. Veril, že tepelný pohyb v kvapalinách má nasledujúci charakter. Každá molekula určitý čas osciluje okolo rovnovážnej polohy. Z času na čas však zmení svoje miesto, pričom sa náhle presunie do novej polohy, ktorá je od predchádzajúcej oddelená vzdialenosťou, ktorá je približne taká veľká ako samotná molekula. Inými slovami, vo vnútri kvapaliny sa molekuly pohybujú, ale pomaly. Niekedy sa zdržiavajú v blízkosti určitých miest. Ich pohyb je teda niečo ako zmes pohybov v plyne a v pevnom telese. Výkyvy na jednom mieste po chvíli vystrieda voľný prechod z miesta na miesto.
Tlak v kvapaline
Niektoré vlastnosti tekutých látok sú nám známe vďaka neustálej interakcii s nimi. Takže zo skúseností každodenného života vieme, že na povrchu pevných telies, ktoré s ním prichádzajú do styku, pôsobí určitými silami. Nazývajú sa tlakové sily tekutiny.
Napríklad pri otvorení vodovodného kohútika prstom a pustení vody cítime, ako tlačí na prst. A plavec, ktorý sa ponoril do veľkých hĺbok, nepocíti náhodou bolesť v ušiach. Vysvetľuje sa to tým, že na bubienok pôsobia tlakové sily. Voda je tekutá látka, preto má všetky svoje vlastnosti. Na meranie teploty vody v hĺbke mora je veľmi silnáteplomery, aby ich nemohol rozdrviť tlak tekutiny.
Tento tlak je spôsobený kompresiou, to znamená zmenou objemu kvapaliny. Vo vzťahu k tejto zmene má elasticitu. Sily tlaku sú sily pružnosti. Ak teda tekutina pôsobí na telesá, ktoré sú s ňou v kontakte, dochádza k jej stlačeniu. Keďže hustota látky sa počas stláčania zvyšuje, môžeme predpokladať, že kvapaliny majú elasticitu vo vzťahu k zmene hustoty.
Vyparovanie
Pokračovaním v uvažovaní o vlastnostiach kvapalnej látky prejdeme k vyparovaniu. V blízkosti jej povrchu, ako aj priamo v povrchovej vrstve pôsobia sily, ktoré zabezpečujú samotnú existenciu tejto vrstvy. Neumožňujú molekulám v ňom opustiť objem kvapaliny. V dôsledku tepelného pohybu však niektoré z nich vyvíjajú pomerne vysoké rýchlosti, pomocou ktorých je možné tieto sily prekonať a opustiť kvapalinu. Tento jav nazývame vyparovanie. Dá sa pozorovať pri akejkoľvek teplote vzduchu, avšak s jej nárastom sa zvyšuje intenzita vyparovania.
Kondenzácia
Ak sa molekuly, ktoré opustili kvapalinu, odstránia z priestoru blízko jej povrchu, všetko sa nakoniec vyparí. Ak sa molekuly, ktoré ho opustili, neodstránia, tvoria paru. Molekuly pár, ktoré spadli do oblasti blízko povrchu kvapaliny, sú do nej vťahované príťažlivými silami. Tento proces sa nazýva kondenzácia.
Preto,ak sa molekuly neodstránia, rýchlosť vyparovania sa časom znižuje. Ak sa hustota pary ďalej zvyšuje, dosiahne sa situácia, že počet molekúl opúšťajúcich kvapalinu za určitý čas sa bude rovnať počtu molekúl, ktoré sa do nej za rovnaký čas vrátia. To vytvára stav dynamickej rovnováhy. Para v ňom sa nazýva nasýtená. Jeho tlak a hustota sa zvyšujú so zvyšujúcou sa teplotou. Čím je vyššia, tým väčší počet molekúl kvapaliny má dostatočnú energiu na vyparovanie a tým väčšia musí byť hustota pary, aby sa kondenzácia rovnala vyparovaniu.
Varenie
Keď sa v procese zahrievania kvapalných látok dosiahne teplota, pri ktorej majú nasýtené pary rovnaký tlak ako vonkajšie prostredie, nastolí sa rovnováha medzi nasýtenou parou a kvapalinou. Ak kvapalina odovzdá dodatočné množstvo tepla, zodpovedajúca hmotnosť kvapaliny sa okamžite premení na paru. Tento proces sa nazýva varenie.
Var je intenzívne vyparovanie kvapaliny. Vyskytuje sa nielen z povrchu, ale týka sa celého jeho objemu. Vo vnútri kvapaliny sa objavujú bubliny pár. Aby molekuly prešli z kvapaliny do pary, musia získať energiu. Je potrebné prekonať príťažlivé sily, ktoré ich držia v kvapaline.
Bod varu
Bod varu je bod, pri ktoromexistuje rovnosť dvoch tlakov - vonkajších a nasýtených pár. Zvyšuje sa so zvyšujúcim sa tlakom a klesá so znižujúcim sa tlakom. Vzhľadom na to, že tlak v kvapaline sa mení s výškou kolóny, dochádza v nej k varu na rôznych úrovniach pri rôznych teplotách. Iba nasýtená para, ktorá je počas varu nad povrchom kvapaliny, má určitú teplotu. Je určený iba vonkajším tlakom. To je to, čo máme na mysli, keď hovoríme o bode varu. Líši sa pre rôzne kvapaliny, čo sa široko používa v strojárstve, najmä pri destilácii ropných produktov.
Latentné výparné teplo je množstvo tepla potrebné na premenu izotermicky definovaného množstva kvapaliny na paru, ak je vonkajší tlak rovnaký ako tlak nasýtených pár.
Vlastnosti tekutých filmov
Všetci vieme, ako získať penu rozpustením mydla vo vode. Nie je to nič iné ako veľa bublín, ktoré sú obmedzené najtenším filmom pozostávajúcim z kvapaliny. Z peniacej kvapaliny sa však dá získať aj samostatný film. Jeho vlastnosti sú veľmi zaujímavé. Tieto fólie môžu byť veľmi tenké: ich hrúbka v najtenších častiach nepresahuje stotisícinu milimetra. Napriek tomu sú niekedy veľmi stabilné. Mydlový film sa môže deformovať a natiahnuť, prúd vody ním môže prejsť bez toho, aby ho zničil. Ako vysvetliť takúto stabilitu? Aby sa objavil film, je potrebné do čistej kvapaliny pridať látky, ktoré sa v ňom rozpustia. Ale nie hocijaký, ale taký,ktoré výrazne znižujú povrchové napätie.
Tekuté filmy v prírode a technológii
V technike a prírode sa hlavne nestretávame s jednotlivými fóliami, ale s penou, čo je ich kombinácia. Často ho možno pozorovať v potokoch, kde malé potôčiky padajú do pokojnej vody. Schopnosť vody peniť je v tomto prípade spojená s prítomnosťou organických látok v nej, ktoré vylučujú korene rastlín. Toto je príklad toho, ako prírodné tekuté látky penia. Ale čo technika? Pri stavbe sa napríklad používajú špeciálne materiály, ktoré majú bunkovú štruktúru pripomínajúcu penu. Sú ľahké, lacné, dostatočne pevné, zle vedú zvuk a teplo. Na ich získanie sa do špeciálnych roztokov pridávajú penotvorné látky.
Záver
Takže sme sa naučili, ktoré látky sú kvapalné, zistili sme, že kvapalina je prechodným stavom hmoty medzi plynným a pevným. Preto má vlastnosti charakteristické pre obe. Tekuté kryštály, ktoré sú dnes široko používané v technológii a priemysle (napríklad displeje z tekutých kryštálov), sú ukážkovým príkladom tohto stavu hmoty. Spájajú vlastnosti pevných látok a kvapalín. Je ťažké si predstaviť, aké tekuté látky veda vynájde v budúcnosti. Je však jasné, že v tomto stave hmoty je veľký potenciál, ktorý možno využiť v prospech ľudstva.
Špeciálny záujem o zváženie prebiehajúcich fyzikálnych a chemických procesovv kvapalnom stave, a to z toho dôvodu, že samotný človek pozostáva z 90 % z vody, ktorá je najbežnejšou kvapalinou na Zemi. Práve v ňom prebiehajú všetky životne dôležité procesy v rastlinnom aj živočíšnom svete. Preto je pre nás všetkých dôležité študovať tekutý stav hmoty.
