Vlastnosti kvapalín a plynov, Pascalov zákon Nezačaté

0. Kľúčové fakty

1. Kvapaliny a plyny ako tekutiny — Kvapaliny aj plyny patria medzi tekutiny, lebo nemajú stály tvar a prispôsobujú sa tvaru nádoby, do ktorej ich nalejeme alebo napustíme. Ich častice sa môžu voľne pohybovať a kĺzať jedna popri druhej, preto tečú. Práve tekutosť je hlavná spoločná vlastnosť, ktorou sa odlišujú od tuhých telies so stálym tvarom.

2. Nestlačiteľnosť kvapalín — Kvapalinu (napríklad vodu v injekčnej striekačke so zapchaným otvorom) nedokážeme stlačiť do menšieho objemu, aj keď na piest tlačíme silno. Častice kvapaliny sú totiž natoľko blízko pri sebe, že už nie je kam ich stlačiť. Vďaka tejto vlastnosti fungujú hydraulické zariadenia, kde voda alebo olej prenáša silu bez toho, aby sa „zmenšil".

3. Stlačiteľnosť plynov — Plyn sa dá ľahko stlačiť do menšieho objemu, lebo medzi jeho časticami sú veľké medzery. Keď v striekačke zapcháme otvor a tlačíme piest, vzduch sa stlačí na zlomok pôvodného objemu. Túto vlastnosť využívame napríklad pri hustení pneumatík, plnení potápačských fliaš stlačeným vzduchom či v pneumatických nástrojoch.

4. Rozpínavosť plynov — Plyn nemá stály objem a vždy úplne vyplní celý priestor nádoby, do ktorej sa dostane, pretože sa snaží rozpínať do všetkých strán. Preto vôňa parfumu alebo zápach plynu z unikajúceho sporáka rýchlo zaplní celú miestnosť. Kvapaliny túto vlastnosť nemajú — tie majú stály objem a vytvárajú vodorovnú hladinu.

5. Deliteľnosť kvapalín a plynov — Kvapalinu aj plyn môžeme rozdeliť na menšie časti a opäť spojiť bez toho, aby sa zmenili ich vlastnosti. Vodu z pohára rozlejeme do viacerých pohárov a stále je to tá istá voda. Deliteľnosť je spoločná vlastnosť kvapalín aj plynov a súvisí s tým, že sú zložené z obrovského počtu drobných častíc.

6. Stála hladina kvapaliny — Kvapalina v pokoji vytvára vždy vodorovnú (rovnú) hladinu, ktorá je kolmá na smer pôsobenia gravitačnej sily Zeme. Aj keď nádobu nakloníme, hladina sa znova ustáli do vodorovnej polohy. Túto vlastnosť využívame napríklad vo vodováhe (libele), ktorá pomáha overiť, či je plocha rovná.

7. Pascalov zákon — Pascalov zákon hovorí, že tlak vyvolaný vonkajšou silou pôsobiacou na povrch kvapaliny alebo plynu v uzavretej nádobe je vo všetkých miestach a všetkými smermi rovnaký. To znamená, že keď zatlačíme na piest, tlak sa prenesie rovnomerne do celej kvapaliny, nielen v smere stláčania. Zákon je pomenovaný po francúzskom vedcovi Blaisovi Pascalovi, ktorý žil v 17. storočí.

8. Dôkaz Pascalovho zákona — Pascalov zákon si overíme guľou s mnohými malými otvormi (tzv. Pascalova guľa) naplnenou vodou. Keď zatlačíme na piest, voda strieka zo všetkých otvorov rovnako silno a do všetkých strán. To dokazuje, že tlak sa v uzavretej kvapaline šíri rovnomerne na všetky steny nádoby.

9. Hydraulické zariadenia — Keďže kvapalina je nestlačiteľná a podľa Pascalovho zákona prenáša tlak rovnomerne, využíva sa v hydraulických zariadeniach na zväčšenie sily. V hydraulickom lise alebo zdviháku malá sila na malom pieste vyvolá veľkú silu na veľkom pieste a dokáže zdvihnúť aj auto. Takto fungujú aj brzdy v aute, bager či hydraulická plošina.

10. Pneumatické zariadenia — Pneumatické zariadenia využívajú stlačiteľnosť a tlak plynov (najčastejšie stlačeného vzduchu) na vykonávanie práce. Patria sem napríklad pneumatické kladivo, brzdy nákladných áut a vlakov, hustilka alebo nafukovacie matrace. Na rozdiel od hydraulických zariadení sa pri nich pružný stlačený plyn dokáže „pružiť", čo tlmí nárazy.

11. Porovnanie kvapalín, plynov a tuhých telies — Tuhé telesá majú stály tvar aj stály objem, kvapaliny majú stály objem, ale menia tvar, a plyny nemajú stály tvar ani objem. Spoločné majú to, že sú všetky zložené z častíc, líšia sa však tým, ako sú častice usporiadané a ako pevne sú viazané. Toto porovnanie pomáha pochopiť, prečo sa každé skupenstvo látky správa inak v bežnom živote.

12. Tlak a jeho jednotka pascal — Tlak vyjadruje, ako veľká sila pôsobí na určitú plochu, a jeho jednotkou je pascal (značka Pa), pomenovaný práve po Blaisovi Pascalovi. Jeden pascal je veľmi malý tlak, preto často používame väčšiu jednotku kilopascal (kPa) alebo hektopascal (hPa), napríklad pri meraní tlaku vzduchu. Čím väčšia sila pôsobí na menšiu plochu, tým väčší je tlak.

1. Poučka

Kvapaliny sú tekuté, takmer nestlačiteľné a deliteľné, nemajú vlastný tvar (priberú tvar nádoby), ale majú stály objem. Plyny sú tekuté, ľahko stlačiteľné, rozpínavé a deliteľné, nemajú vlastný tvar ani stály objem — vyplnia celý priestor.

Pascalov zákon: Ak na kvapalinu (alebo plyn) v uzavretej nádobe pôsobíme vonkajšou silou, tlak sa rozšíri rovnako do všetkých smerov a pôsobí na všetky steny nádoby rovnako.

2. Vysvetlenie

• Látky delíme na tuhé telesá, kvapaliny a plyny podľa toho, ako sú v nich usporiadané a viazané častice (atómy a molekuly).
• V tuhom telese sú častice pevne viazané → teleso má stály tvar aj objem.
• V kvapaline sú častice voľnejšie, môžu sa pohybovať okolo seba → kvapalina tečie a prispôsobí sa tvaru nádoby, ale jej objem sa skoro nemení (je nestlačiteľná).
• V plyne sú častice ďaleko od seba a pohybujú sa rýchlo všetkými smermi → plyn sa dá stlačiť do menšieho priestoru a sám sa rozpína, kým nevyplní celú nádobu.
• Keď stlačíme uzavretú kvapalinu alebo plyn (napr. piestom), tlak sa neprenesie len jedným smerom — prenesie sa rovnomerne do všetkých smerov. Práve to je Pascalov zákon.

3. Príklady a prečo je to dôležité

Príklad 1 — vlastnosti plynov: Prečo sa do lopty dá napumpovať ďalší vzduch, hoci už je „plná“?
Plyn je stlačiteľný: jeho častice sú ďaleko od seba a dajú sa natlačiť bližšie k sebe.
Plyn je rozpínavý: vyplní celú loptu a tlačí na jej steny.
→ vzduch sa dá stlačiť, preto sa do lopty zmestí viac vzduchu a lopta stvrdne

Príklad 2 — porovnanie skupenstiev: Porovnaj kocku ľadu, vodu v pohári a vzduch v balóne podľa tvaru, objemu a stlačiteľnosti.
Ľad (tuhé teleso): vlastný tvar áno, stály objem áno, takmer nestlačiteľný.
Voda (kvapalina): vlastný tvar nie (tvar nádoby), stály objem áno, takmer nestlačiteľná.
Vzduch (plyn): vlastný tvar nie, stály objem nie (vyplní nádobu), ľahko stlačiteľný.
→ ľahko sa dá stlačiť len plyn, tvar nádoby priberá kvapalina aj plyn

Príklad 3 — Pascalov zákon: Do igelitového vrecka s vodou urobíš ihlou dierky na rôznych stranách a vrecko stlačíš rukou zhora. Čo uvidíš?
Rukou pôsobíš na vodu vonkajšou silou.
Tlak sa vo vode rozšíri rovnako do všetkých smerov.
→ voda strieka zo všetkých dierok, nielen smerom nadol

Príklad 4 — brzdy (prax): Prečo nesmie byť v hydraulických brzdách auta vzduchová bublina?
Kvapalina je nestlačiteľná, tlak z pedála sa hneď prenesie až k brzdám pri kolesách.
Vzduch je stlačiteľný, pri zošliapnutí pedála by sa najprv stláčala bublina.
→ so vzduchom v brzdách by auto nebrzdilo spoľahlivo

Príklad 5 — pokus s deliteľnosťou: Ako jednoducho ukážeš, že voda je tekutá a deliteľná?
Prelej vodu z pohára do fľaše, voda tečie a zmení tvar.
Kvapkadlom z nej odober niekoľko kvapiek, voda sa dá rozdeliť na menšie časti.
→ voda tečie a dá sa rozdeliť na kvapky

Prečo je to dôležité: Vďaka týmto vlastnostiam fungujú brzdy, zdviháky, čerpadlá aj bežné nástroje okolo nás. Keby boli kvapaliny stlačiteľné ako plyny, brzdy v aute by nebrzdili spoľahlivo. Pochopenie rozdielov medzi kvapalinami, plynmi a tuhými telesami pomáha vysvetliť, ako fungujú stroje aj prírodné javy.

Precvič si

1. Ktoré z týchto látok priberajú tvar nádoby: kameň, mlieko, vzduch, drevo?
2. V uzavretej striekačke je raz vzduch a raz voda. Kedy zatlačíš piest ďalej? Prečo?
3. Do pohára naliali 200 ml vody a potom ju preliali do taniera. Aký objem má voda v tanieri?
4. Prečo sa vôňa parfumu rozšíri po celej izbe?
5. Prečo voda z dierok v stlačenom vrecku strieka do všetkých strán?
6. Vysvetli, ako hydraulický zdvihák v autoservise zdvihne ťažké auto.