POVRCHOVÉ NAPĚTÍ Povrchové napětí u kapalin a pevných látek Povrchové napětí kapalin ¨ Kapalné skupenství látek je s jedné strany ohraničeno skupenstvím pevným a s druhé strany skupenstvím plynným. Proto je přirozené očekávat, že kapaliny budou mít vlastnosti a strukturu, nacházející se někde mezi uspořádanými pevnými látkami a chaotickými plyny. Hustota kapalin se příliš neliší od hustoty pevných látek a proto i v kapalinách budou tyto částice (atomy nebo molekuly) dosti blízko u sebe, ale přitom nebudou na sebe vázány tak velkými silami jako v pevných látkách (proto kapaliny nemají stálý tvar), ale přesto ještě dosti velkými (takže kapaliny udržují svůj objem. ¨ ¨ ¨ Povrchové napětí kapalin ¨Podle Frenkela připomíná pohyb částic v kapalinách pohyb kočovníků: částice poskočí o malý úsek, chvíli kmitá na místě a opět poskočí náhodným směrem a zase kmitá, atd. ¨Blízko povrchu a na povrchu kapaliny je výslednice sil, působících na částici nenulová a směřuje dovnitř kapaliny. Situace je tedy taková, jakoby byla kapalina stlačena silou, působící směrem dovnitř kapaliny. Ta síla je, ač se to na první pohled nezdá, značná – kapalina je stlačena tak, že se jeví navenek jako téměř nestlačitelná. ¨ ¨ ¨ Povrchové napětí kapalin ¨ Jinými slovy to znamená, že na povrchu kapaliny je něco, co připomíná tenkou elastickou blanku, snažící se co nejvíce zmenšit svůj povrch. ¨ ¨ ¨ ¨ Povrchové napětí a energie ¨V případě pevných látek se povrchové napětí nazývá povrchovou energií pevných látek. Proto můžeme kvalitativně i kvantitativně objasnit tvar povrchu kapaliny na rozhraní tří prostředí, pevného, kapalného a plynného, stejně jako tvar kapiček jedné kapaliny na povrchu druhé (nejsou-li navzájem rozpustné), nebo na povrchu pevné látky. ¨ ¨ Výskyt a využití povrchového napětí ¨Přehled alespoň některých z nich: ¨a) Využití v chemii: jevy povrchového napětí jsou podstatou celých odvětví chemie, jako je např. koloidní chemie, chromatografie, atd. ¨b) Využití v biologii: povrchové napětí vysvětluje mnoho jevů, souvisejících s činností buněk, stejně jako kapilární jevy v rostlinách, atd. ¨c) Využití v domácnosti: mytí, praní, holení, jsou činnosti, které mají společnou podstatu. Jde o umožnění smáčení nečistot a tím jejich odstranění. Studená voda má vysoké povrchové napětí a tak abychom ji mohli použít k výše uvedeným činnostem, musíme toto napětí snížit (ohřátím, přidáním látek, snižujících povrchové napětí – mýdla, saponátů apod.). ¨. Výskyt a využití povrchového napětí ¨d) Využití v zemědělství: aby bylo možno správně aplikovat herbicidy a insekticidy, aby buď ulpěly, nebo neulpěly na daném druhu rostliny – kulturní či plevelné. ¨e) Využití v průmyslu: technologický postup, zvaný flotace spočívá v oddělování hlušiny od těžené látky (železa, zlata apod.). Kapalina s vhodně upraveným povrchovým napětím (voda + saponát) způsobí, že hlušina bude smáčena a klesne ke dnu a nemáčená látka, na níž se vytvoří vzduchové bublinky vyplave na hladinu. Fyzikální podstata broušení je založena na skutečnosti, že vhodná kapalina sníží povrchové napětí broušených či obráběných látek. Výskyt a využití povrchového napětí ¨f) Přírodní jevy: existence povrchového napětí vysvětluje … Tekuté krystaly ¨Na přelomu 19. a 20. století zjistil Rakouský biolog Reinitzer při zahřívání různých pevných látek až nad bod tání, že vzniklá kapalina je zprvu neprůhledná (opalizuje) a teprve při dalším zahřívání se od jisté teploty změní na průhlednou kapalinu. Stručně řečeno, některé látky mají dva body tání. ¨Fyzik Lehmann se tomuto problému intenzivně věnoval a nazval tyto látky „mezofáze“ (později parakrystaly, kapalné krystaly, tekuté krystaly). Zjistil, že tyto krystaly lze získat rozpouštěním v rozpouštědle (lyotropní tekuté krystaly), nebo roztavením (termotropní tekuté krystaly). Struktura tekutých krystalů ¨Obecně se dá říci, že tekuté krystaly se vyskytují u látek, které mají nesymetrické, protáhlé molekuly, tedy u látek organických. Takové dlouhé molekuly lze uspořádat tak, že jsou uloženy v trojrozměrné krystalové mřížce, uspořádané ve všech třech směrech (pak se jedná o pevnou fázi). ¨Nematické tekuté krystaly jsou uspořádány v jednom směru. ¨Smektické tekuté krystaly (smegma = mýdlo), existuje uspořádání ve dvou směrech, tj. molekuly jsou uspořádány ve vrstvách. Struktura tekutých krystalů ¨ Vlastnosti a využití tekutých krystalů ¨Významnou vlastností tekutých krystalů je skutečnost, že jsou velmi citlivé na změnu fyzikálních polí (kromě gravitačního), na změnu teploty, chemické látky apod. Tato citlivost se projevuje ve změně struktury a lze ji indikovat opticky (již zmíněným stáčením polarizační roviny, průhledností, barvou apod.). Například citlivosti na teplotu se využívá v lékařství (měření malých změn teploty kůže). Citlivosti na změnu elektrického pole se využívá při konstrukci displejů a obrazovek s tekutými krystaly. Citlivosti na chemické látky se využívá při konstrukci přístrojů, umožňujících měřit přítomnost malého množství různých látek. Závěr ¨Literatura: ¨[1] Pokluda, J., Kroupa, F., Obdržálek, L.: Mechanické vlastnosti a struktura pevných látek. PC-DIR spol. s r.o., Brno, 1994, 385s. ¨[2] Vondráček, F. Materiály a technologie I a II, 1985, 243+244s. ¨[3] Ptáček a kol. Nauka o materiálu I a II. CERM, 2003, 520+396 s. ¨[4] internet http://www.ped.muni.cz/wphy/fyzvla/ ¨ ¨ ¨ ¨