Styk kvapaliny so stenou nádoby. Kapilarita.

Zmáčanie povrchu

Ak na sklo kvapneme kvapku vody, bude mať tvar ako na obrázku A. Ak vodu kvapneme na povoskovanú plochu, bude mať tvar ako na obrázku B. Podobne ortuť na skle bude mať tvar ako na obrázku C.

Tvar kvapky závisí od síl pôsobiacich medzi molekulami kvapaliny a pevnej látky. Takéto sily nazývame adhézne sily. (Len na zopakovanie, sily pôsobiace medzi molekulami tej istej látky nazývame kohézne sily.)

Ak sú adhézne sily väčšie ako kohézne, molekuly sú viac priťahované k pevnej látke a kvapka má tvar ako na obrázku A. Hovoríme, že kvapalina zmáča povrch. Ak sú adhézne sily menšie ako kohézne, molekuly sú viac priťahované dovnútra kvapaliny a kvapka má tvar ako na obrázkoch B a C. Hovoríme, že kvapalina nezmáča povrch.

Stykový uhol

To, či kvapalina povrch zmáča, alebo nezmáča, závisí nielen od kvapaliny, ale aj od povrchu. Napríklad ortuť sklo nezmáča, ale zmáča meď.

Ak sa pozrieme z boku na kvapku, je možné odmerať uhol medzi povrchom kvapky a pevným povrchom. Tento uhol nazývame stykový uhol a pre kvapaliny, ktoré zmáčajú daný povrch, má hodnotu 0° – 90°. Stykový uhol pri kvapalinách, ktoré nezmáčajú daný povrch, má hodnotu 90° – 180°.

Rozlišujeme aj idealizované prípady. Ak stykový uhol je rovný 0°, hovoríme, že kvapalina dokonale zmáča povrch. Ak je stykový uhol 180°, tak vtedy hovoríme, že kvapalina dokonale nezmáča povrch. Tieto situácie sú ale len idealizované a v skutočnosti nenastanú.

Povrch kvapaliny pri stene nádoby

Pozrime sa na to, čo sa stane s kvapalinou, ktorú nalejeme do nádoby, ktorá je z materiálu, ktorý kvapalina zmáča. Napríklad nalejeme vodu do sklenenej čistej nádoby. Príťažlivé adhézne sily spôsobia, že na mieste styku kvapaliny a nádoby sa vytvorí dutý povrch – ako na obrázku. Dutý povrch sa vytvorí kvôli výslednici síl, ktorá pôsobí smerom k nádobe.

Ak kvapalinu nalejeme do nádoby, ktorá nezmáča materiál, z ktorej je nádoba spravená, dôjde k vytvoreniu vypuklého povrchu kvapaliny. Ako vidno na obrázku, za vypuklý povrch je zodpovedná výslednica síl, ktorá smeruje dovnútra kvapaliny. Takto sa napríklad správa ortuť v skle.

Kapilarita

Pôsobenie síl medzi pevnou látkou a kvapalinou sa najviac prejaví v tenkej trubičke – kapiláre. Ak ponoríme kapiláru s malým vnútorným priemerom do kvapaliny, ktorá zmáča materiál, z ktorého je kapilára vyrobená, tak hladina kvapaliny v kapiláre vystúpi do výšky h nad hladinou kvapaliny v nádobe. Hovoríme, že nastane kapilárna elevácia.

Pri ideálnom prípade (ak kvapalina dokonale zmáča steny nádoby) môžeme výšku h odvodiť z rovnosti kapilárneho tlaku (spôsobeného povrchovými silami pôsobiacimi nahor) a hydrostatického tlaku. Kapilárny tlak môžeme vypočítať ako podiel povrchovej sily a plochy vodného stĺpca.

p_{k} = \frac{F_{p}}{S}

Ak v rovnici pre kapilárny tlak nahradíme povrchovú silu výrazom $F_{p} = 2 σ \cdot π \cdot r$ , kde r je vnútorný polomer kapiláry, povrch nahradíme vzorcom pre obsah kruhu $S = π \cdot r^{2}$ , dostaneme vzťah pre kapilárny tlak

p_{k} = \frac{2 σ \cdot π \cdot r}{π \cdot r^{2}} = \frac{2 σ}{r}

Hydrostatický tlak môžeme vypočítať ako $p_{h} = ρ \cdot g \cdot h$ . Ak dáme oba tlaky do rovnosti, dostaneme:

ρ \cdot g \cdot h = \frac{2 σ}{r}

Vyjadrením h dostaneme vzorec pre výšku, do akej vystúpi voda v kapiláre.

h = \frac{2 σ}{ρ \cdot g \cdot r}

V prípade, že situácia nie je ideálna a kvapalina nedokonale zmáča steny nádoby, potom v rovnici ešte vystupuje kosínus stykového uhla.

h = \frac{2 σ \cdot \cos (β)}{ρ \cdot g \cdot r}

Pre kvapalinu, ktorá nezmáča steny nádoby platí, že 90° < β < 180°, takže cos β < 0. Výška výstupu bude záporná, čo znamená, že hladina v kapiláre poklesne oproti hladine kvapaliny. Hovoríme, že nastane kapilárna depresia.