Jevy na rozhraní pevného tělesa a kapaliny

Nalijeme-li kapalinu do nádoby, může se kapalina chovat dvojím způsobem:

1. u stěny vytvoří dutý povrch (voda ve skle, líh ve skle, rtuť v měděné nádobě, …) - kapalina smáčí stěny nádoby (viz obr. 600 a)

2. u stěny vytvoří vypuklý povrch (rtuť ve skle, …) - kapalina nesmáčí stěny nádoby (viz obr. 600 b)

Obr. 600	Obr. 601

Vysvětlení tohoto jevu provedeme pomocí molekuly, která leží na rozhraní kapaliny, vzduchu a stěny nádoby. Částice stěny nádoby ležící ve sféře molekulového působení této molekuly působí na uvažovanou molekuly silou kolmou na stěnu. Molekuly kapaliny působí na tuto molekulu silou směřující dovnitř do kapaliny. Molekuly vzduchu působí na uvažovanou molekulu silou . A samozřejmě, že na molekulu působí také tíhová síla . Vzhledem k tomu, že velikosti sil a jsou ve srovnání s velikostmi sil a malé, je tedy možné je zanedbat. Směřuje-li výsledná síla ven z kapaliny, musí být volný povrch kapaliny u stěny dutý, aby byl kolmý na sílu (viz obr. 601 a). Jinak by nastal pohyb molekul v kapalině. Jestliže síla směřuje dovnitř kapaliny, pak volný povrch musí být vypuklý (viz obr. 601 b).

Úhel , který svírá povrch kapaliny s povrchem stěny, se nazývá stykový úhel. Mohou nastat tyto možnosti:

1. - kapalina dokonale smáčí stěny nádoby;

2. - kapalina dokonale nesmáčí stěny nádoby;

3. nebo - skutečná (reálná) kapalina;

4. - povrch kapaliny je nezakřivený.

Zakřivení povrchu kapaliny při stěnách nádoby, v kapilárách, u kapek a bublin způsobuje vznik přídavného tlaku v kapalině. Tento tlak se nazývá kapilární tlak. Pod vypuklým (resp. dutým) povrchem kapaliny je vnitřní tlak ve srovnání s vodorovným povrchem větší (resp. menší) o kapilární tlak.

Název kapilára byl převzat z biologie. Krev v lidské těle do jeho koncových částí (prsty, kůže, …) rozvádějí cévy s velmi malým průměrem, které se nazývají kapiláry. Proto se i pro uměle vyrobené trubice malých průměrů používá stejný výraz.

Má-li volný povrch kapaliny tvar kulového vrchlíku (resp. koule) o poloměru R, lze pro kapilární tlak psát: , kde F je velikost výslednice povrchových sil (viz obr. 602), jejíž nenulová velikost je dána právě zakřiveným povrchem kapaliny. Tato výslednice vzniká díky zakřivenému povrchu kapaliny a působí na kolmý průmět povrchu kapaliny o obsahu S (tímto kolmým průmětem je vždy kruh). Lze tedy dále psát: , kde je povrchové napětí kapaliny.

Obr. 602

U tenké kulaté bubliny se dvěma povrchy (např. mýdlová bublina), pro kapilární tlak platí .

Pro reálnou kapalinu, která je charakterizovaná stykovým úhlem , je kapilární tlak dán vztahem: , kde r je poloměr zakřivení povrchu kapaliny v kapiláře (viz obr. 60). Na tomto obrázku je zobrazen řez kapilárou s vnitřním poloměrem R, v níž je kapalina s poloměrem zakřivení povrchu r. Vzhledem k tomu, že mezi oběma vyznačenými poloměry platí vztah , dostáváme kapilární tlak ve tvaru .

Kapilární tlak je tedy závislý na povrchovém napětí kapaliny, vnitřním poloměru kapiláry a stykovém úhlu kapaliny v dané kapiláře.

Obr. 60