Kapalina: definice a vlastnosti — tlak, viskozita, hustota

Kapalina: přehled definice a vlastností — vysvětlení tlaku, viskozity a hustoty, příklady a vzorce včetně p=ρgz. Srozumitelně a přehledně pro studenty i odborníky.

Kapalina je forma hmoty mezi pevnou látkou a plynem. Na rozdíl od pevné látky nemá kapalina vlastní pevně stanovený tvar, ale na rozdíl od plynu má téměř stálý objem. Molekuly v kapalině jsou blízko u sebe a mohou se mezi sebou volně posouvat, což umožňuje kapalně tekuté chování při zachování relativně konstantního objemu.

Chování a tvar

Každá malá síla vyvolává v kapalině změnu tvaru prouděním. Z tohoto důvodu působí gravitace tak, že kapalina v klidu nabývá tvar nádoby, ve které je umístěna. Cohesivní síly mezi molekulami kapaliny (a adhezivní síly k povrchu nádoby) spolu s povrchovým napětím způsobují, že volný povrch kapaliny může být zakřivený a vytvářet kapky nebo menisky.

Viskozita a tok

Viskozita je měřítkem vnitřního tření kapaliny — odporu proti proudění. Pomalu tekoucí kapaliny mají vysokou viskozitu. Například dehet má velmi vysokou viskozitu a může se zdát téměř pevný při krátkodobém pozorování. Naopak voda a mnoho organických rozpouštědel mají nízkou viskozitu.

Existují kapaliny Newtonovské (směrnice vztahu mezi smykovou rychlostí a smykovým napětím je lineární) a ne-Newtonovské (např. shear-thinning ketchup nebo shear-thickening směsi jako oobleck). Viskozita se mění s teplotou — obecně klesá se stoupající teplotou. Jednotkou dynamické viskozity v SI je Pa·s (často používána mPa·s = 10−3 Pa·s).

Hustota a příklady

Hustota ρ udává hmotnost jednotkového objemu kapaliny. Pro kapaliny se obvykle udává v kg·m−3. Například hustota vody při ~4 °C je přibližně 1000 kg·m−3, rtuť má hustotu kolem 13600 kg·m−3 a vzduch při normálních podmínkách asi 1,2 kg·m−3. Hustota závisí na složení kapaliny a teplotě (většinou klesá se zvyšující se teplotou).

Stlačitelnost a fázové přechody

Kapaliny jsou prakticky málo stlačitelné — změna objemu při působení tlaku je malá ve srovnání s plyny. Velikost odporu proti stlačení vyjadřuje objemový modul pružnosti (bulk modulus). Pokud se kapalina ochladí pod určitou teplotu, přejde v tuhou fázi — stane se pevnou látkou. Tato teplota se obvykle nazývá bod tání nebo bod tuhnutí a je pro každou kapalinu odlišná. Při ohřevu kapalina při dostatečném tlaku přechází do plynné fáze — bod varu závisí na okolním tlaku (např. ve vyšší nadmořské výšce klesá).

Tlak v kapalině (hydrostatika)

V kapalině je tlak v hloubce větší než u povrchu, protože vrchní vrstvy kapaliny působí silou na vrstvy pod nimi. Pro hydrostatický tlak platí základní vztah (pro případ homogenní kapaliny v gravitačním poli):

p = ρgz

Tento vztah udává přírůstek tlaku vzhledem k povrchu jako ρ g z, kde z je hloubka pod povrchem a g je gravitační zrychlení (gravitace, která na kapalinu působí). Pokud chceme znát absolutní tlak v hloubce, připočteme tlak na volném povrchu (např. atmosférický tlak p0): p = p0 + ρ g z. V technických aplikacích se často používá tzv. měrný (relativní) tlak, který může být vyjádřen právě jako ρ g z.

Hydrostatické principy vysvětlují řadu jevů: tlak v libovolném bodě v klidné kapalině je stejný ve všech směrech (Pascalův zákon), hydrostatický paradox (celkový tlak na dno nezávisí na tvaru nádoby, pouze na výšce hladiny a ploše dna) apod. Jednotka tlaku v SI je Pascal (Pa = N·m−2).

Povrchové jevy a kapilarita

Povrchové napětí je důsledek kohezních sil mezi molekulami a projevuje se tím, že volný povrch kapaliny se snaží minimalizovat svou plochu — vznikají kapky, kapilární stoupání nebo menisky. Kapilarita popisuje stoupání nebo pokles kapaliny v úzké trubici; výška kapilárního vzestupu lze pro ideální případ vypočítat ze vztahu h = 2γ cosθ / (ρ g r), kde γ je povrchové napětí, θ úhel navlhání a r poloměr trubice.

Měření a praktické poznámky

• Měření hustoty: pyknometry, hydrometry nebo kalorimetry.
• Měření viskozity: kapilární viskozimetry, rotační viskozimetry.
• Pro inženýrské výpočty se kapaliny často považují za ideálně nestlačitelné; tato aproximace platí dobře pro kapaliny jako voda při běžných tlacích.

Příklady běžných kapalin jsou voda, oleje a krev. Jejich vlastnosti (hustota, viskozita, povrchové napětí, body tání a varu) se liší a ovlivňují použití v přírodě i technice.

Otázky a odpovědi

Otázka: Co je to kapalina?

Otázka: Jak působí gravitace na kapaliny?

Otázka: Co je to viskozita?

Otázka: Je možné kapalinu stlačit?

Otázka: Při jaké teplotě se kapalina stává pevnou látkou?

Otázka: Při jaké teplotě se kapalina stává plynem?

Otázka: Jak se vypočítá tlak v kapalinách?

Hledání podle dopisu