Vlastnosti kapalin

Dá se chodit po kapalině?

Když vstoupíme do bazénu s vodou, začneme se potápět. Co kdybychom ale vodu smíchali s obyčejným kukuřičným škrobem? Vznikne směs, po které lze za určitých podmínek běhat, skákat, nebo dokonce jezdit na kole. Stačí se však zastavit a začneme se propadat.

Video: Hard Science, Biking Across a Pool of Cornstarch (2013).

Otázka na úvod

Jak je možné, že se člověk při rychlém pohybu udrží na povrchu směsi, zatímco při pomalém pohybu se začne propadat? Co rozhoduje o tom, jak snadno látka teče?

Odpověď souvisí s tím, jak kapaliny a tekuté směsi reagují na deformaci. Abychom tomuto chování porozuměli, nejprve si připomeneme základní vlastnosti kapalin a potom se podíváme na viskozitu.

Základní vlastnosti kapalin

Kapaliny tvoří spolu s pevnými látkami a plyny základní skupenství látek. Mají některé vlastnosti společné s pevnými látkami a jiné s plyny.

Vlastnost Co to znamená?
Nemají vlastní tvar Přizpůsobují svůj tvar nádobě.
Mají přibližně stálý objem Při běžných podmínkách se jejich objem mění jen málo.
Jsou tekuté Jejich části se mohou vůči sobě pohybovat; kapalina může proudit.
Jsou málo stlačitelné K výrazné změně objemu je potřeba velmi velká změna tlaku.
Vzpomeňte si na předchozí experiment

Při pokusu se dvěma stříkačkami jste porovnávali stlačování vzduchu a vody. Proč se jejich chování tolik lišilo?

Vysvětlení
V plynu jsou částice od sebe v průměru mnohem dál než v kapalině. Při stlačování plynu se jejich vzájemné vzdálenosti mohou výrazně zmenšit. V kapalině jsou částice již blízko sebe, a proto se její objem mění mnohem méně. Kapaliny přesto nejsou dokonale nestlačitelné.

Jak vypadají kapaliny na úrovni částic?

Částice kapaliny jsou blízko sebe a působí mezi nimi přitažlivé i odpudivé síly. Na rozdíl od částic v krystalické pevné látce však nejsou dlouhodobě vázány na stálé polohy. Neustále se pohybují a mění své sousedy. Právě proto může kapalina měnit tvar a téct.

Pozor: Kapalina není „něco mezi pevnou látkou a plynem“ ve všech ohledech. Například hustota mnoha kapalin je mnohem bližší hustotě odpovídající pevné látky než hustotě plynu.

V dalších kapitolách uvidíme, jak se vzájemné síly mezi částicemi projevují na povrchu kapaliny a na rozhraní kapaliny a pevné látky .

Viskozita neboli vnitřní tření

Představme si kapalinu mezi dvěma rovnoběžnými deskami. Spodní deska stojí, horní se pohybuje. Vrstva kapaliny u horní desky je unášena pohybem desky, zatímco vrstvy níže se pohybují pomaleji. Mezi vrstvami vzniká vnitřní tření.

Dynamická viskozita η charakterizuje odpor kapaliny vůči smykovému proudění. Její jednotkou je pascalsekunda [Pa·s]. Čím vyšší je viskozita za stejných podmínek, tím větší síla je potřeba k udržení stejného smykového proudění.

Viskozita není hustota. Hustota ρ [kg/m³] udává hmotnost jednotkového objemu. Viskozita popisuje odpor proti smykovému proudění. Hustší kapalina proto nemusí být viskóznější.

Interaktivní model: vrstvy proudící kapaliny

Zjednodušený model laminárního smykového proudění mezi dvěma deskami. Horní deska se pohybuje, spodní je v klidu. Šipky a pohyb částic znázorňují rozdílné rychlosti vrstev. Změna viskozity při stejné rychlosti horní desky mění potřebnou smykovou sílu, nikoli rychlostní profil.

U běžných newtonovských kapalin je při dané teplotě viskozita přibližně nezávislá na rychlosti smykové deformace. Mezi takové kapaliny patří například voda a mnoho běžných olejů.

Proč teplý med teče rychleji?

Viskozita většiny běžných kapalin s rostoucí teplotou klesá. To je snadno pozorovatelné například u medu nebo sirupu. Ohřátá kapalina obvykle teče snáze než studená.

Experiment: Studený a teplý sirup

Pomůcky: dvě stejné nádoby, sirup nebo med, lžíce, miska s mírně teplou vodou, stopky.

  1. Jednu nádobu se sirupem nechte při pokojové teplotě, druhou několik minut zahřívejte v mírně teplé vodní lázni.
  2. Porovnejte, jak sirup vytéká ze stejné lžíce nebo po stejné nakloněné ploše.
  3. Popište pozorování a navrhněte, jak by šlo pokus provést kvantitativně.

Použijte jen mírně teplou vodu; není třeba vařící voda ani otevřený plamen. Pro férové porovnání použijte stejné množství sirupu a stejné pomůcky.

Co byste měli pozorovat?
Teplejší sirup zpravidla teče rychleji, protože má nižší viskozitu. Samotný čas vytékání však závisí také na geometrii nádoby, množství kapaliny a dalších podmínkách.

Změna viskozity při zahřívání není totéž co teplotní roztažnost, které se věnuje samostatná kapitola Teplotní roztažnost látek II .

Když kapalina porušuje naše očekávání

Některé kapaliny a tekuté směsi se nechovají jako newtonovské kapaliny. Jejich zdánlivá viskozita může záviset na rychlosti deformace nebo na předchozím namáhání.

Příklad Co pozorujeme?
Kečup Při dostatečném namáhání začne téct snáze; často se uplatňuje i mez toku.
Škrobová suspenze ve vodě Při prudkém namáhání může klást mnohem větší odpor než při pomalém pohybu.
Barvy a některé kosmetické přípravky Jejich vlastnosti jsou upraveny tak, aby se dobře roztíraly, ale samovolně příliš nestékaly.

Aktivita: Škrob a voda

Smíchejte přibližně dva objemové díly kukuřičného škrobu s jedním dílem vody. Poměr postupně upravujte, dokud směs při pomalém pohybu neteče, ale při rychlém stlačení neklade výrazný odpor.

  1. Zkuste do směsi pomalu ponořit prst.
  2. Poté na její povrch krátce a prudce zatlačte.
  3. Porovnejte chování při pomalém a rychlém namáhání.
Otázka: Je tato směs za všech okolností pevná látka, nebo kapalina?
Vysvětlení
Jde o koncentrovanou suspenzi pevných škrobových částic ve vodě, nikoli o čistou kapalinu. Při rychlém namáhání mohou vzájemné kontakty částic způsobit prudký nárůst odporu proti pohybu. Zjednodušeně říkáme, že směs vykazuje nenewtonovské chování.

Směs nevlévejte do odpadu; nechte ji vyschnout nebo ji odstraňte do komunálního odpadu podle místních pravidel.

Kde se s viskozitou setkáváme?

  • Motorový olej: musí vhodně mazat pohyblivé součásti v širokém rozsahu teplot.
  • Potravinářství: viskozita ovlivňuje výrobu, dávkování i vnímání omáček, jogurtů a dalších výrobků.
  • Medicína a biologie: proudění krve závisí mimo jiné na jejích reologických vlastnostech; krev se v řadě situací chová nenewtonovsky.
  • Průmyslové nátěry: barva musí jít roztírat, ale po nanesení nemá nadměrně stékat.

Otázky na závěr

1. Proč kapalina přebírá tvar nádoby, ale zachovává přibližně stejný objem?
Její částice se mohou vůči sobě přemisťovat, a kapalina tak mění tvar. Částice jsou však blízko sebe, proto je kapalina při běžných podmínkách málo stlačitelná.
2. Je voda dokonale nestlačitelná?
Není. Její objem se při zvýšení tlaku také zmenšuje, ale při běžných podmínkách jen velmi málo.
3. Co popisuje viskozita a v jaké jednotce se udává?
Dynamická viskozita charakterizuje odpor kapaliny vůči smykovému proudění. Její jednotkou je pascalsekunda [Pa·s].
4. Proč se teplý med obvykle nalévá snáze než studený?
S rostoucí teplotou jeho viskozita zpravidla výrazně klesá.
5. Musí mít hustší kapalina také vyšší viskozitu?
Nemusí. Hustota a viskozita jsou různé fyzikální veličiny.
6. Proč se škrobová suspenze chová jinak při pomalém a rychlém pohybu?
Její odpor proti deformaci závisí na způsobu namáhání. Při rychlém namáhání mohou kontakty mezi škrobovými částicemi odpor výrazně zvýšit.

Časté omyly

  • „Kapaliny jsou nestlačitelné.“ Ve skutečnosti jsou jen velmi málo stlačitelné.
  • „Viskozita je totéž co hustota.“ Hustota popisuje hmotnost na jednotku objemu, viskozita odpor vůči smykovému proudění.
  • „Všechny kapaliny tečou stejně.“ Jejich viskozita i další reologické vlastnosti se mohou výrazně lišit.
  • „Teplota ovlivňuje pouze objem kapaliny.“ Výrazně může ovlivňovat také její viskozitu.
  • „Škrob s vodou je obyčejná kapalina.“ Jde o suspenzi s nenewtonovským chováním.

Slovníček

kapalina liquid
tekutost fluidity
stlačitelnost compressibility
viskozita viscosity
vnitřní tření internal friction
proudění flow
newtonovská kapalina Newtonian fluid
nenewtonovská kapalina non-Newtonian fluid
suspenze suspension
hustota density

Reference

  1. Hard Science. Biking Across a Pool of Cornstarch (2013). YouTube .
  2. University of Wisconsin–Madison. Oobleck Experiment. physics.wisc.edu .
  3. OpenStax. University Physics, Volume 1, kapitola Fluid Mechanics. openstax.org .
  4. Encyclopaedia Britannica. Viscosity. britannica.com .
  5. Sílozpyt: Kohezní síly a povrchová vrstva kapalin .
  6. Sílozpyt: Adhezní síly, rozhraní kapaliny a pevné látky .
  7. Sílozpyt: Teplotní roztažnost látek II .