Štruktúra kvapalín. Povrchová vrstva kvapaliny, jej energia. Povrchové napätie.

Na nasledujúcich obrázkoch možno pozorovať schopnosť vody vytvárať povrchovú vrstvu, ktorá je pružná a dokonca zabraňuje ľahkým predmetom (ako spinka) preniknúť do vody. Túto schopnosť má nielen voda, ale všetky kvapaliny. Povrchová vrstva kvapaliny vzniká na rozhraní medzi kvapalinou a plynom. Vďaka nej je hladina kvapaliny zreteľná. Jej vznik súvisí s vnútornou štruktúrou kvapalín.

Kvapaliny aj plyny prispôsobujú svoj tvar nádobe, v ktorej sa nachádzajú. Kvapaliny, na rozdiel od plynov, majú stály objem. (Napríklad: ak nalejeme do 3 litrovej nádoby pravidelného tvaru 2 litre vody, voda bude siahať len do výšky 2/3 nádoby. Ak by sme v takejto nádobe uzavreli plyn, tak ten by vypĺňal celý objem nádoby.)

Molekuly kvapalín sú náhodne usporiadané (podobne ako pri amorfných látkach), ale nemajú stabilné miesto v priestorovej mriežke. Vykonávajú vibračný pohyb okolo rovnovážnej polohy, a súčasne rovnovážna poloha sa môže pohybovať v priestore. Molekuly na seba pôsobia príťažlivými silami, takže lejúca sa kvapalina vytvára prúd. Príťažlivé sily medzi molekulami kvapaliny nazývame kohézne sily.

Príťažlivé sily sú tiež zodpovedné za vytvorenie povrchovej vrstvy kvapaliny. Pre každú molekulu definujeme sféru molekulového pôsobenia. Molekuly vnútri tejto sféry pôsobia príťažlivými silami na uvažovanú molekulu. Ak je molekula vnútri kvapaliny pôsobia zo všetkých strán približne rovnaké príťažlivé sily, pretože je zo všetkých strán obklopená približne rovnakým množstvom molekúl (obrázok A). Výsledná sila pôsobiaca na molekulu je nulová.

Ak sa molekula nachádza bližšie k povrchu, ako je polomer sféry pôsobenia, sily smerujúce von z kvapaliny sú slabšie, pretože v tom smere sa nachádza menej molekúl (obrázok B a C). Výsledkom je, že na molekulu, ktorá je blízko povrchu kvapaliny, pôsobí výsledná sila smerom dovnútra kvapaliny.

Výsledná sila spôsobí, že molekuly na povrchu kvapaliny sú bližšie pri sebe, čím sa zväčšia príťažlivé sily medzi molekulami. A tým sa vytvorí vrstva, ktorú nazývame povrchová vrstva kvapaliny. Molekuly nachádzajúce sa v povrchovej vrstve majú vyššiu potenciálnu energiu. Celkovú energiu molekúl v povrchovej vrstve nazývame povrchová energia kvapaliny. Povrchová vrstva kvapaliny je jednou zo zložiek celkovej vnútornej energie kvapaliny.

Čím je povrch kvapaliny (pri danom objeme) väčší, tým je aj povrchová energia väčšia. Platí, že zmena povrchovej energie kvapaliny je priamo úmerná zmene plochy povrchu kvapaliny. Konštantu úmernosti označujeme $σ$ a nazývame povrchové napätie. Matematicky môžeme napísať:

Δ E = σ \cdot Δ S

Povrchové napätie meriame v $N \cdot m^{- 1}$ . Je to konštanta, ktorá je pre rôzne kvapaliny a plyny nad nimi rôzna. Jej hodnota závisí tiež od teploty. Čím je teplota kvapaliny vyššia, tým sú medzimolekulové sily slabšie a hodnota povrchového napätia je menšia. Napríklad pre vodu a vzduch, pri teplote 20 °C je povrchové napätie $σ = 73 \cdot 10^{- 3} N \cdot m^{- 1}$ .

Povrchové napätie menia aj rôzne látky, napríklad saponát znižuje povrchové napätie vody. Preto voda so saponátom, alebo mydlom, ľahšie vytvára bubliny.

Keďže platí, že čím je väčší povrch, tým je väčšia povrchová energia, kvapaliny sa snažia prirodzene vytvárať tvar, ktorý má pri danom objeme čo najmenší povrch. Preto ak na kvapalinu nepôsobia žiadne sily, má tvar gule. Ak kvapka padá, pôsobí na ňu odporová sila vzduchu a tvar gule je deformovaný do aerodynamického tvaru – kvapky.

Vďaka povrchovej energii sa vnútri guľovej kvapky s polomerom $R$ vytvorí tlak, ktorý vieme vypočítať nasledovne:

p = \frac{2 σ}{R} + p_{A}

kde $p_{A}$ je atmosférický tlak vzduchu v okolí kvapky.

Ak nejde o kvapku, ale bublinu, ktorá má 2 povrchové vrstvy (vnútornú a vonkajšiu). Tlak v bubline je možné vypočítať ako:

p = \frac{4 σ}{R} + p_{A}

Zaujímavým dôsledkom toho, že závislosť tlaku je nepriamo úmerná polomeru bubliny je, že tlak v menšej bubline je väčší ako tlak vo väčšej bubline.