1. Vliv chemického složení na fyzikální a mechanické vlastnosti dřeva. Závislost fyzikálních vlastností dřeva na chemickém složení dřeva souvisí se submikroskopickou stavbou buněčné stěny a proporciálním zastoupením jednotlivých chemických konstituent. Po chemické stránce se na stavbě dřeva podílejí především 3 základní biopolymery- celulóza, hemicelulózy a lignin. Každá látka má specifickou funkci. Rozhodující je orientace látek v buněčné stěně a schopnost poutat na svém povrchu molekuly tekutin. Kostra zdřevnatělé buněčné stěny je tvořena makromolekulami celulózy, které se seskupují do fibrilární porézní struktury buněčné stěny. Fibrilární struktura je uložena v amorfním ligninu, který vyplňuje submikroskopické dutiny celulózové kostry. Lignin je s celulózou napojen chemickými vazbami přes hemicelulózy, případně vazbami fyzikálními. listnáče
jehličnany
30-65%
30-60%
hemicelulóza, 20-40%
15-30%
lignin.
25-35%
3 základní biopolymery: celulóza
15-30%
ZTENČENINY: céva v příčním směru je nepropustná, - Dvůrkaté ztenčeniny: Torus a margo, funguje jako ventilek, u vysušeného dřeva se torus ucpe. Dojde k navázání vodíkových můstků. -Rozhodující vrstvou buněčné stěny je S2 vrstva, hustě uložené fibrily celulózy zde probíhají v pravotočivých spirálách a svírají s podélnou osou buňky malý úhel 5-15°. V těto vrstvě je také nejvyšší obsah celulózy (výrazný krystalický podíl 70%). Příklad: uvedeme na vodě vnikající do buněčných stěn. Tato voda se adsorbuje do amorfních oblastí celulózy a na povrchu krystalických míst, případně v místech vazev mezi sacharidickými složkami dřeva.Voda se v buněčné stěně nejdříve váže na volné hydroxylové skupiny a v amorfních oblastech celulózy pomocí vodíkových můstků. Energie potřebná pro porušení vodíkových vazeb se pohybuje mezi 4-40 kJ.mol-1. V podélném směru makromolekuly celulozy se nachází kovaletní vazby. Esterové a éterové můstky v rámci pyranozového kruhu u kterých je energie potřeba na roztržení vazby vyšší než 200kJ.mol-1. Velikost vazebné energie je rozhodující pro místa chemické absorpce, která u kovaletních vazeb nemůže nastat Kovaletní vazby: společné znaky: tvrdost, křehkost
2. Vliv anatomické stavby na fyzikální vlastnosti dřeva. Dřevo je ve vztahu k okolnímu prostředí hygroskopickým materiálem schopným přijímat nebo odevzdávat vodu, ať už ve skupenství kapalném nebo plynném a má schopnost měnit svoji vlhkost podle okolního prostředí. Schopnost suchého dřeva poutat stavebními látkami buněčné stěny kapaliny a plyny. Přítomnost vody byla navíc nezbytnou podmínkou pro udržení života vůbec.
TRACHEJDY: poloměr 0,1 . 10-6m 3-8mm, ztenčeniny jsou na radiální rovině-> radiální buněčná stěna -> voda je vedena v tangenciálním směru, dlouhá perforovaná uzavřená. N-úhelník, slepená po celém obvodu, na rozdíl od tlakového dřeva – obsahuje mezibuněčné prostory. Reakční dřevo je namáháno na tlak, fibrily S2 vrstvy jsou navinuty do spirály u reakčního dřeva jsou od úhlem 40°
CÉVA: průměr 0,1mm, délka 0,1mm
ZTENČENINY: céva v příčním směru je nepropustná, Dvůrkaté ztenčeniny: Torus a margo, funguje jako ventilek, u vysušeného dřeva se torus ucpe. Dojde k navázání vodíkových můstků. Funkce anatomických elementů: mechanická, vodivá, zásobní. Tracheidy jehličnanů: mechanická a vodivá.Listnáče (evolučně vyvinutější) mají funkce odděleny Pohyb vody napříč hlavními anatomickými elementy (tracheidy, cévy, librifomní vlákna) se voda pohybuje ztenčeninami buněčné stěny a lumeny dřeňových paprsků dvůrkaté ztenčeniny (jehličnany) 25mikrometrů, porus 7mikrometrů, otvor v margu 0,1-0,7 mikrometru-> určuje velikost částic tekutiny, které projdou.
3. Anizotropní charakter fyzikálních vlastností dřeva. Dřevo má odlišné vlastnosti v každém směru. Mění své rozměry také odlišně v každém směru. Má odlišnou hustotu., vlhkost, propustnost a třeba i rychlost sušícího režimu. isotropní materiál, materiál, který má stejné vlastnosti. Anizotropní materiál má nestejnorodé vlastnosti, v každém směru různé vlastnosti. Dřevo je anizotropní materiál. Orthotropie = 3 směry nízká mez hygroskopicity – listnaté kruhovitě pórovité, borovice vyšší mez hygroskopicity – roztroušeně pórovité. Zde dřevo bobtná Hodně bobtná ve směru příčném Nebude bobtnat v podélném směru V S2 vrstvě, která je nejširší jsou fibrily orientovány podélně - Tmavé dřevo méně navlhá – „celulózové vazby“ jsou nasycené BORCENÍ DŘEVA:Podélné: kroutí se, probíhá po délce nebo na půlce Bobtnání (sesychání) T: R: L = 20: 10: 1 Poměr mezi jednotlivými směry Příčné borcení (strukturální) HUSTOTA 20-30% Lignin 1350 kg/m3 40-15% Hemicelulóza 1400-1500 kg/m3 40-45% celulóza H2O 1000 kg/m3 Voda sjednocuje vlastnosti dřeva Variační koeficient u vlhkosti dřeva je mezi 10 – 20 %pro rovnovážnou vlhkost dřeva 12 % Vliv vlhkosti na variační koeficient: Rostoucí W a klesající V: čím je dřevo sušší, tím je dřevo proměnlivé. SORPČNÍ IZOTERMAV příčném směru ano, v podélném směru ne. S3 vrstva neumožní zvětšení rozměru u lumenu bobtnání souvisí s kvalitou vody Rozdílná hustota LD a JD: v T: LD: velká hustota, bobtná hodně ,JD: malá hustota, bobtná málo
vliv faktorů na vlhkost dřeva -
-
stavba a hustota dřeva (nejvíce u jehličnanů, vyzrále jádro má 3-4x menší w než běl. (smrk, borovice: běl 112-132%, jádro 33-38%, listáněče jsou rovnoměrnější). S výškou: jehličnany w stoupá -> vyšší podíl bělového dřeva, listnáče téměř neměnná. teplota (max w v zimě, min w v létě) mechanické namáhání
Vlhkost dřeva je významná v dřevozpracování. Pravidlo provozní vlhkost by se měla rovnat výrobní vlhkosti-> předejití deformacím (T a relativní vlhkost prostředí). Celulosa je v dřeňovém paprsku orientována radiálně-> tzn. Dřeňové paprsky bobtnají v tangenciálním směru. Se stoupající hustotou dřevo více bobtná (alfa), sesychá (beta).
Letní dřevo bobtná více, jarní méně. V tangenciálním směru obě dřeva bobtnají kontinuálně, v radiálním je tendence letního dřeva taková, že bobtná jen letní dřevo. Mechanické zvýšení homogenity-> stlačením zvýšíme hustotu. Snížení homogenity-> např. provrtat od 0-50% a nad 25% moc nebobtná, proto je nutná křivka.
4. Vliv teploty na fyzikální vlastnosti dřeva. 5. Vliv hustoty na fyzikální vlastnosti dřeva. 6. Vliv vlhkosti na fyzikální vlastnosti dřeva. -
Přítomnost tekutin ve dřevě se nazývá vlhkostí dřeva. Dřevo je schopné přijímat a odevzdávat vodu v kapalném a plynném skupenství. Schopnost měnit vlhkost podle vlhkosti okolí. Suché dřevo poutá buněčnými stěnami (celulosa, hemicelulosa) kapaliny a plyny
-
voda ve většině případů zhoršuje fyzikální a mechanické vlastnosti, odolnost vůči houbám a hmyzu, technologické postupy atd.
-
stavba vodivých cest (protáhlý tvar a signifikovaná stěna, perforace= rozpuštění buněčné stěny)-> pohyb vody a minerálů dřevem
-
rychlost toku vody: bělové dřevo s úzkými cévami cca 2m/hod velké cévy 50m/hod
-
hybná síla: rozdíl atmosférického tlaku vzduchu nad listy a napětí vody ve dřevě (důsledek nejmenšího poloměru na celé vodivé cestě = tahové napětí 1-2,5MPa
Jedná se o podíl m vody v absolutně suchém stavu = vlhkost absolutní -
wabs
[%]
Jedná se o podíl m vody v m mokrého dřeva = vlhkost relativní wrel [%] Dle podílu H2O ve dřevě jsou 3 hraniční hodnoty: 1. Vlhkost suchého dřeva = vlhkost absolutně suchého dřeva w0=0%. Ustálený poměr m H2O k m sušiny dle vzorce wabs při sušení dřeva na teplotu 103 +/- 2 °C >>ve dřevě není žádná voda volná a vázaná 2. Vlhkost nasycení buněčných stěn = mikrokapilární systém je zcela zaplněn vodou, tato vlhkost se vyjadřuje jako nasycení buněčných stěn MNBS nebo mezí hydroskopicky MNBS ≈ MH = 22-35% 3. Vlhkost při nasycení dřeva – mikro i makrokapilární systém je plně nasycen vodou, obsahují maximální množství vody. Tato vlhkost = max. vlhkost dřeva (Wmax=80-400%) - Dle uložení vody ve dřevě: 1. Voda chemicky vázaná je součástí sloučenin. Lze ze dřeva odstranit pouze spálením (nikoliv sušením), proto je ve dřevě zastoupena i při 0% wabs. Zjišťuje se při chemických analýzách dřeva, její celkové množství je 1-2% sušiny dřeva. Při charakteristice fyzikálních vlastností nemá význam. Jde odstranit ze dřeva pyrolýzou neboli spálením. 2. Voda vázaná hydroskopická se nachází v buněčných stěnách a je vázaná vodíkovými můstky na hydroxylové skupině OH (alkohol) amorfní části celulózy a hemicelulózy, vyskytuje se při 0-30% vlhkosti dřeva. Při charakteristice fyzikálních vlastností dřeva má největší a zásadní význam. 3. Voda volná kapilární vyplňuje ve dřevě lumeny buněk a mezibuněčné prostory. Při charakteristice fyzikálních vlastností má podstatně menší roli než voda vázaná. 1.1. MEZ NASYCENÍ BUNĚČNÝCH STĚN A MEZ HYDROSKOPICITY (MNBS a MH) - Hranice mezi H2O vázanou a volnou stanovujeme na základě určení MNBS a nebo MH. MNBS je maximální vlhkost buněčných stěn u dřeva, které bylo dlouho uloženo ve vodě.
Teplota nemá vliv na MNBS. Vlhkost při MNBS je u našich dřevin 22-35% (většinou 30%) – závisí na druhu dřeviny (anatomické stavbě a chemické stavbě dřeva) Určit MNBS je složité, je lepší použít MH (pro odlišení vody vázané a volné). MH je takovou rovnovážnou vlhkostí, kterou dosáhne dřevo dlouhodobě vystavené prostředí (vzduch), jehož relativní vlhkost je blízká bodu nasycení (ϕ=0,995%) - Rozdíl mez MNBS a MH tedy spočívá zejména v prostředí kterému je dřevo vystaveno. U MNBS je to voda v kapalném skupenství, u MH v plynném. Při teplotě kolem 15-20°C mají obě veličiny přibližně stejnou hodnotu >> kolem 30%, ale na rozdíl od MNBS je MH závislá na teplotě prostředí a s rostoucí teplotou klesá. - Hodnoty MH u dřevin: Jádrové dřevo 22-24% BO, MD, DG, VJ, limba Vyšší obsah pryskyřice Jádrové dřevo 23-35% AK, Kaštanovník, DB, JS, OR, TR Jádrové dřevo 26-28% BO, MO, DG, Nižší obsah pryskyřice 30-34% jádrové dřevo s bělí a vyzrálým dřevem, bělové dřevo jehličnanů s výrazným jádrem VJ, BO, MD 32-35% listnaté dřevo s roztroušeně pórovitou stavbou: LP, VR, TP, OL, BR, BK, HB A více Bělové dřevo listnatých dřevin s kruhovitě a polokruhovitě pórovitou stavbou dřeva: AK, Kaštanovník, DB, JS, OR, TR
7. Vlhkost dřeva a vlhkost vzduchu, relativní a absolutní Je to přítomnost vody ve dřevě. Vyjadřuje se podílem hmotnosti vody k hmotnosti dřeva v absolutně suchém stavu= vlhkost absolutní nebo podílem hmotnosti vody ke hmotnosti mokrého dřeva = vlhkost relativní. Vlhkost relativní méně než max. množství vody - Absolutní vlhkost nasyceného vzduchu (podíl vypařování a kondenzování je v rovnováze) Max. množství vzduchu - Relativní vlhkost φ (fí) - poměr parciálního tlaku a tlaku nasycených vodních par/poměr absolutní vlhkosti a vlhkosti nasyceného vzduchu. - Při normálním atmosférickém tlaku jsou relativní vzdušná vlhkosti a absolutní teplota vzduchu zásadní parametry-> navlhavost, rovnovážní vlhkost dřeva - chemická (chemické vazby – oblast krystalické a amorfní celulozy)- Vodíkové můstky, polarita adsorbovaných látek – nestabilita kationtu H+ v hydroxilových skupinách
ROVNOVÁŽNÁ VLHKOST DŘEVA -
ustálí se při daných podmínkách (rel. vzdušná vlhkost a teplota)-> s každou změnou se mění i RVD vlhkost dřeva nižší než stav vlhkostní rovnováhy- > adsorpce vodní páry vlhkost dřeva vyšší než stav vlhkostní rovnováhy- > desorpce desorpce a adsorpce jsou reverzibilní po jiné křivce-> hystereze sorpce
Vlhkost suchého dřeva: žádná voda volná ani vázaná. Zjištění hmotnosti sušiny: sušárna 103°C (376K), váhová metoda (referenční = základná metoda). w0 = 0% Vlhkost při nasycení buněčných stěn: mikrokapilární systém je zcela zaplněn vodou. MH = 22-35% Vlhkost při nasycení dřeva: mikro i makrokapilární systém je zaplněn vodou. wMax = 80…400%
Hybné síly = gradienty
-
-
-
-
Gradient je nerovnoměrně rozložené fyzikální (nebo chemické) pole ve dřevě Gradient vlhkosti = nerovnoměrná vlhkost = ve dvou různých bodech, dvě různé vlhkosti. Na povrchu je nejnižšší a ve středu nejvyšší (parabola), když prší je to naopak, nebo rovnoměrně. w=Mw/m0 rovnoměrně rozložená vlhkost, pokud tento vzorec aplikuji na hyperbolu, spočítáme průměrnou vlhkost, integrálem získám plochu děleno vzdálenost. Závislost rozložení vlhkosti ve dřevě: tlak, teplota=>absolutní vlhkost vzduchu-> relativní vzdušná vlhkost (fí)=AH-skutečná/AHmaximální. (fí) <0-absolutně suchý vzduch;100maximálně vlhký vzduch> f (φ,T, P, Patm,gradienty) rovnoměrně-. Stav vlhkosti rovnováhy->rovnovážná vlhkost dřeva-> max-RVD=mez hygroskopicy 30% Voda ve dřevě: Voda chemicky vázaná je součástí sloučenin. Lze ze dřeva odstranit pouze spálením (nikoliv sušením), proto je ve dřevě zastoupena i při 0% wabs. Zjišťuje se při chemických analýzách dřeva, její celkové množství je 1-2% sušiny dřeva. Při charakteristice fyzikálních vlastností nemá význam. Jde odstranit ze dřeva pyrolýzou neboli spálením. Voda vázaná hydroskopická se nachází v buněčných stěnách a je vázaná vodíkovými můstky na hydroxylové skupině OH (alkohol) amorfní části celulózy a hemicelulózy, vyskytuje se při 030% vlhkosti dřeva. Při charakteristice fyzikálních vlastností dřeva má největší a zásadní význam. Voda volná kapilární vyplňuje ve dřevě lumeny buněk a mezibuněčné prostory. Při charakteristice fyzikálních vlastností má podstatně menší roli než voda vázaná.
-
mez hygroskopicity: maximální rovnovážná vlhkost dřeva = f(φmax) (nastává, když je dřevo vystaveno nasycenému vzduchu). Závisí na teplotě. dMH/dT=-0,15 (změní-li se teploto o jeden kelvin, sníží se mez hygroskopicity o 0,15%) Mez hygroskopicity = dřevo + vzduch (voda v plynném stavu, prostředí je vzduch) -
Mez nasycených buněčných stěn = dřevo + kapalina, usuzuje se nepřímo. (prostředí je voda) Hodnota MNBS a MH je při 15-20°C přibližně stejná.
8. metody měření vlhkosti dřeva Dělení na přímé a nepřímé. Přímé: metody ,kterými zjišťujeme skutečný obsah vody ve dřevě Nepřímé (relativní metody)= obsah vody zjišťujeme nepřímo prostřednictvím jiné měřené veličiny, jejichž hodnota závisí na obsahu vody ve dřevě. přímá metoda měření: VÁHOVÁ METODA = GRAVIMETRICKÁ 𝑤𝑎𝑏𝑠 =
-
𝑚𝑣𝑙ℎ𝑘é 𝑑ř𝑒𝑣𝑜 − 𝑚𝑎𝑏𝑠.𝑠𝑢𝑐ℎé 𝑑ř𝑒𝑣𝑜 𝑚𝑣𝑜𝑑𝑎 × 100 = × 100 𝑚𝑎𝑏𝑠.𝑠𝑢𝑐ℎé 𝑑ř𝑒𝑣𝑜 𝑚𝑎𝑏𝑠.𝑠𝑢𝑐ℎé 𝑑ř𝑒𝑣𝑜
zjištění váhy abs. suchého dřeva a mokrého dřeva Nejpřesnější, časová náročnost
-
Zjištění hmotnosti vlhkého dřeva a absolutně suchého dřeva při teplotě 103°C. Sušení se kontroluje se opakovaným vážením. Dřevo je vysušené když 2 hodiny se hmotnost nezmění o více než 0,02g.
DESTILAČNÍ METODA- destilací vody ze dřeva nepřímá metoda ELEKTROFYZIKÁLNÍ (ODPOROVÁ A DIEELEKTRICKÁ) Elektrické vlhkoměry -
měření elektrické veličiny, která je výrazně ovlivňována vlhkostí dřeva odporové (jednosměrné napětí), dielektrický (střídavé napětí) Konkrétní elektrická veličina, která slouží pro zjišťování vlhkosti je však ovlivňována i dalšími fyzikálními činiteli. Vnitřní-dané vlastnostmi materiálu Vnější-tvořící podmínky měření.
RADIOMETRICKÁ absorpce různých druhů záření AKUSTICKÁ (šířená nebo adsorpce zvuku a ultrazvuku) TERMOFYZIKÁLNÍ
Nejpraktičtější je měření pomocí vlhkoměrů. Elektrické vlhkoměry.
9. NASÁKLIVOST DŘEVA Nasáklivost dřeva -
nasávaní kapaliny v důsledku pórovitosti maximálně nasáklé dřevo = maximální vlhkost. = plné nasycení vodou vázanou a maximální objem vody volné všechny póry nemusí být zaplněny pouze vodou: thyly, pryskyřice apod. plné nasycení trvá dny až týdny, rychlost je závislá na druhu dřeva, poč. vlhkosti, teplotě a tvaru, rozměru tělesa. nasáklivost jádra je menší než běli, se zvyšující se hustotou se nasáklivost zmenšuje. Zvýšení teploty urychluje nasáklivost.
vliv faktorů na vlhkost dřeva -
-
stavba a hustota dřeva (nejvíce u jehličnanů, vyzrále jádro má 3-4x menší w než běl. (smrk, borovice: běl 112-132%, jádro 33-38%, listáněče jsou rovnoměrnější). S výškou: jehličnany w stoupá -> vyšší podíl bělového dřeva, listnáče téměř neměnná. teplota (max w v zimě, min w v létě) mechanické namáhání Je schopnost dřeva díky pórovitosti nasávat H2O ve formě kapaliny. Nasáklivost je užitečná při posuzování maximální vlhkosti dřeva. Dřevo je maximálně nasáklé vodou (má maximální vlhkost) je-li nasyceno vázanou vodou a obsahuje-li maximální množství vody volné, množství volné vody je závislé hlavně na objemu pórů ve dřevě, který je nepřímo úměrný ϕ dřeva. Všechny uvedené hodnoty neodpovídají skutečnosti, protože to jsou průměrné hodnoty
(nejsou vyplněny, mají všechny póry), přítomná může být pryskyřice (ucpání cév thylami). K plně nasycenému stavu dřeva dochází v řádu týdnů. Rychlost nasáklivosti závisí na druhu dřeviny, počáteční vlhkosti, teplotě, tvaru, rozměru sortimentu. Nasáklivost dřeva jádra je menší než běli (při maximální vlhkosti BO dřeva: jádro 206%, běl 180%). S vyšší ϕ je nasáklivost menší. Nasáklivost zrychluje zvýšená teplota. 1.2. VLIV FAKTORŮ NA VLHKOST DŘEVA - Největší vliv má stavba, hustota, teplota, mechanické namáhání - Rozložení vlhkosti v kmeni rostoucího stromu je nerovnoměrné a mění se s výškou a průměrem kmene. Největší rozdíl mezi vlhkostí jádra (vyzrálého dřeva) a bělí je obecně u jedle, kde jádro má 3-4x menší vlhkost než běl. BO a SM mají průměrnou roční vlhkost jádra či vyzrálého dřeva 33-38%, zatímco vlhkost běle je 112-132%. U dřeva listnatých stromů je vlhkost dřeva po průměru kmene rozložena mnohem rovnoměrněji. U listnatých dřev s jádrem není podstatný rozdíl mezi ve vlhkostech jádra a běle. Rovněž u listnatých bez jádra nejsou velké rozdíly mezi středovými a obvodovými vrstvami kmene a vlhkost se pohybuje mezi 70-90%- s výškou stromů se vlhkost u jehličnanů zvyšuje Vody ve dřevě: 1) Voda vázaná: o V buněčné stěně,Kapalné skupenství,Navázaná chemicky přes vodíkové můstky o „pomalá“´,Pohyb pouze na krátké vzdálenosti o Difuze: Hybnou silou difuze je tlak, rozdíl mezi koncentrací teploty, Gypsova energie 1) Voda volná: o V lumenech, mezibuněčný prostor (reakční dřevo). Kapalné, plynné, pevné skupenství (led).Drží ve dřevě pomocí fyzikálních sil (adheze, koheze) o Rychle se pohybuje ve dřevě (až 3m/hodinu) Pohybuje se na dlouhé vzdálenosti o Propustnost (tlak) = permeabilita V uzavřeném prostoru je po určité době dosaženo rovnováhy mezi rychlosti vypařování kapaliny a kondenzace vodních par. -> Tlak vodních par odpovídající této rovnováze = TLAK
NASYCENÝCH VODNÍCH PAR p0 (Pa). -
10.
termodynamika sorpce
systém dřevo-voda: -termodynamický systém, reversibilní děje -
změna skupenství je doprovázena změnami energie (s přechodem do jiného skupenství se mění entalpie látky) rovnováha: dřevo – voda v plynném stavu – voda v kapalném stavu-> podmínky: rovnováha teplot, tlaků, chemická = volných energií = Gibbsova energie rovnováha: tepelná (rovnováha teplot) hydrodynamická (rovnováha tlaků) chemická) rovnováha volných energii)
Přechod mezi skupenstvími: překonání energetické bariéry (vypařování vody z volného povrchu>povrchové napětí = molekula musí zvýšit entalpii, vypařování vody ze dřeva -> vazebné síly = vodíkové můstky.
Sorpce vody dřevem je tedy zachytávání molekul vodní páry přitažlivými silami hydroxylových skupin OH-, voda vykonává přechod z jednoho skupenství do druhého-> změny energetických hladin. -
teplo kondenzace: plyn-> kapalina teplo evaporace: kapalina-> plyn teplo sublimace: pevné-> plynné teplo fuze: pevné-> kapalné
diferenciální teplo sorpce je dodatečné teplo, které je nutné dodat nad teplo výparné aby se odpařil 1 mol vody vázané ( 1 mol H2% = 18g) monomolekulární sorpce: první fáze adsorpce, molekuly vody se ukládají do mezimicelárních a mezibuněčných prostor, navazují se na volné OH-skupiny. V každém volném sorpčním místě je navázána jedna molekula. Nízká rovnovážná vlhkost nezpůsobuje významné bobtnání. Vytvoří se vrstvička vody RVD 0-7%, φ<20% polymolekulární sorpce: nad vrstvičkou molekul vody poutaných přes vodíkové můstky se adsorbují další molekuly vody. Ty jsou drženy van der waalsovými silami, elektrostatikými silami. Vrstva není rovnoměrná. Se vzdáleností od první vrstvy slábne síla vodíkových můstků-> voda plynná se blíží vlastnostem vody kapalné (váha a povrchové napětí) -> bobtnání buněčné stěny-> rozevření krystalické celulózy. RVD 7-15%, φ20-70% kapilární kondenzace: φ (relativní vzdušná vlhkost)>70%, mikro a mezikapilárách-> kondenzace-> smáčení povrchu dřeva
11.
sorpční izoterma
vlhkostní rovnováha v závislosti na relativní vlhkosti a teplotě DENTOVA sorpční izoterma -
s rostoucí vlhkostí dřeva roste počet molekul vody vázané. rovnováha mezi tlakem vodních par, mezi jednotlivými vrstvami adsorbované vody. Evaporace z jedné vrstvy odpovídá kondenzaci z druhé. RVD na relativní vzdušné vlhkost φ (fí). T=konst., (čím vyšší teplota, tím nižší průběh izotermy) -> viz termodynamika sorpce níže
S rostoucí teplotou rovnovážná vlhkost dřeva klesá. Nejvíce se změna se projeví na mezi hygroskopicity, v nule je stejná. -
Do relativní vzdušné vlhkost do 25%, voda je extrémně vázána do sorpčních míst. Každé místo zaplněno jednou molekulou vody. Tato voda je držena silou, která tvoří hustotu cca 1500-2000kg/m3. Chemické vazby, obtížné odstranit ze dřeva. V této oblasti tedy dřevo nebobtná.
-
hystereze sorpce. Velikost hystereze sorpce se vyjadřuje poměrem RVD adsorpce/ RVD desorpce. Poměr sorpčních isoterem při adsorpci a desorpci pro rozpětí relativní vzdušné vlhkosti 20-90% se hystereze sorpce blíží k jedné a rozdíl mezi adsorpcí a desorpcí se ztrácí. -
při adsorpci je málo dostupných OH míst u suchého dřeva (příliš silné vazby)
-
kónické póry, rozdíl tlaků při desorpci je vyšší než při adsorpci-> větší vzlínavost při desorpci. Vyšší rovnovážní vlhkost při desorpci. Podmínka kapiláry s průměrem > 10-7m¨ při adsorpci vzniká tlakové napětí, při desorpci tahové napětí. Existuje několik vysvětlení vzniku hystereze sorpce: Teorie rozdílného počtu sorpčních místsilné chemicko-fyzikální vazby, nejsou pro molekuly vody dostupné Teorie konických pórů- vychází z konického ukončení mikrokapilár. Rozdíl tlaků je při desorpci vyšší než při adsorpci. Teorie hygroelastického efektu- vznikající rozdílná mechanická napětí pří desorpci a adsorpci. Tlaková a tahová.
12. Rozměrové a tvarové změny spojené se změnou vlhkosti. Borcení dřeva -
-
-
Mění-li se vlhkost dřeva v rozsahu vody vázané, dřevo podléhá rozměrovým změnám hygroexpanzi rozměrů. Snížení vlhkosti dřeva mokrého k mezi hygroskopicity(odpaření vody volné) nemá významný vliv na změnu rozměrů. Sesychání a bobtnání je lokalizováno v buněčné stěně, kde dochází k oddalování či přibližování fibrilární struktury. Tím se mění rozměry jednotlivých elementů a dřeva jako celku. Velký vliv na velikost sesychání a bobtnání má orientace fibril v buněčné stěně. změny vlhkosti v rozsahu vody vázané -> hygroexpanze rozměrů (do MH, kapilární kondenzace, mono- a polymolekulární voda odpaření vody volné nemá významný vliv na změnu rozměrů sesychání a bobtnání probíhá v buněčné stěně-> oddalování a přibližování fibril velký vliv orientace fibril v buněčné stěně, až 90% tvoří S2 vrstva sekundární buněčné stěny kde se orientace příliš neodklání od podélné osy (cca 15-30°)-> maximální sesychání a bobtnání napříč vláken. V podélném směru se molekuly vody nemohou dostat mezi fibrily-> nenastává rozestupování (způsobeno kovalentními vazbami) reverzibilní proces po stejné trajektorii (na rozdíl od sorpce, zde neexistuje hystereze)
Celulosa je v dřeňovém paprsku orientována radiálně-> tzn. Dřeňové paprsky bobtnají v tangenciálním směru. Se stoupající hustotou dřevo více bobtná (alfa), sesychá (beta). -
Letní dřevo bobtná více, jarní méně. V tangenciálním směru obě dřeva bobtnají kontinuálně, v radiálním je tendence letního dřeva taková, že bobtná jen letní dřevo. o Mechanické zvýšení homogenity-> stlačením zvýšíme hustotu. o Snížení homogenity-> např. provrtat
od 0-50% a nad 25% moc nebobtná, proto je nutná křivka.
bobtnání -
schopnost dřeva zvětšovat svoje lineární rozměry (R, T, Podélné) , plochu a objem při přijímání vody vázané (0%-MH) Lineární bobtnání (jednotlivých směrech-podélném, radiálním,tangenciálním) Plošné (změna plochy tělesa) Objemové (změna objemu tělesa) Bobtnání celkové označujeme jako bobtnání dřeva od absolutně suchého stavu do meze hygroskopicity. Menší bobtnání označujeme jako částečné vyjadřuje se podílem změny rozměrů k původní hodnotě (%)
-
-
a – rozměr tělesa (m, m2, m3), i – index udávají směr, plochu, objem, w1 – vlhkost před bobtnáním (%), w2 – vlhkost po bobtnání (%) procentická změna vlhkosti při změně vlhkosti o 1%-> koeficient bobtnání Kα graf bobtnání v závislosti na vlhkosti by musel být vyjádřen křivkou, ale to není nutné, právě proto, že do 5% a nad 25% dřevo příliš nebobtná. objem nabobtnalého dřeva a objem vody je ve skutečnosti nižší než v součtu-> voda ve dřevě je zahuštěna a stlačena. bobtnání má anizotropní charakter: o podél vláken bobtnání do 1% (naše dřeviny 0,1-0,4%) o příčný – radiální: 3-6% o příčný – tangenciální 6-12% o Poměr = 20 : 10 : 1
koeficient bobtnání v závisloti na hustotě: - hodnota diferenciálního bobtnání závisí na hustotě dřeva s rostoucí hustotou se snižuje. - Proto mají jehličnaté dřeviny celkově vyšší hodnotu diferenciálního bobtnaní než listnaté . průměrná hodnota je kolem 2, běžně se však pohybuje v intervalu od 1 do 3,5.
Sesychání -
zmenšování lineárních, plošných i objemových rozměrů v důsledku ztráty vody vázané. Řídí se podobnými zákonitostmi jako bobtnání. Sesychání Beta nazýváme proces při kterém se zmenšují lineární rozměry, plocha nebo objem tělesa v důsledku ztráty vody vázané.
vzájemný vztah bobtnání a sesychání dělení dle koeficientu sesychání: na základě hodnot koeficientu objemového sesychání můžeme rozdělit dřeva do následujících skupin: -
dřeva málo sesychává (KβV < 0,4) = tis, olše, topol, vrba, limba, akát dřeva středně sesychává (KβV 0,4 – 0,47) = borovice, smrk, jedle, jilm dřeva hodně sesychává (KβV > 0,47) = modřín, bříza, habr, lípa
borcení dřeva -
-
-
při sesychání nebo bobtnání dochází ke změnám tvaru sortimentu. Tento jev se nazývá borcení dřeva a vzniká v důsledku anizotropního charakteru hygroexpanze dřeva. Borcení se může vyskytovat v příčném nebo podélném směru sortimentu je tím větší, čím větší je jeho vzdálenost od dřeně k obvodu kmene. příčinou je nerovnoměrné bobtnání a sesychání-> odchýlení dvou soustav (anizotropie)
existuje-li v tělese odklon letokruhů od geometrických os, hovoříme o obecně ortotropním tělísku-> obecné osy a roviny deformace -> transformace koeficientů diagonální prvky tenzoru = prodloužení, zkrácení, nediagonální = poloviční smykové úhly pootočení příčné borcení:rozdílné radiální a tangenciální sesychání-> žlábkovité prohnutí podélné borcení: nerovnoměrné podélné sesych. mezi bělí a jádrem, reakční dřevo -> prohnutí, stočení. Velikost sesychání po šířce různá. Souvislost s hustotou.
bobtnání a sesychání buněčné stěny
-
-
Pokud by struktura buněčné stěny byla homogenní , objemové změny v důsledku změn vlhkosti by nebyly závislé na objemu volných prostor ve dřevě a dřevo ve vyvrtaných otvorech by bobtnalo či sesychalo stejně jako bez otvoru . vrstva S3 omezuje bobtnání-> změna rozměrů se téměř neprojevuje ve směru do buňky = rozměr lumenu je konstantní.
Dřevo bobtná jen v oblasti vody vázané, (v logaritmické stupnici se ze dvou úseček stane křivka)
Faktory ovlivňující bobtnání a sesychání: Rozměrové změny způsobené změnami vlhkosti v rozsahu vody vázané jsou ovlivňovány zejména vlhkostí, hustotou a anatomickou stavbou dřeva. Vlhkost dřeva ovlivňuje rozměrové změny nejvíce svým rozložením v průřezu tělesa, kdy nerovnoměrné rozložení způsobuje při vysychání dřeva vznik vlhkostních a zbytkových napětí.
13.
Vlhkostní a tepelné napětí
14.
Hustota dřeva a pórovitost
ρ=m/V (kg.m-3) každý objem má jinou hustotu. Určení hustoty u dřeva je poměrně obtížné vzhledem k hygroskopicitě dřeva. Jak hmotnost tak objem je ovlivněn vlhkostí dřeva. Přesto hodně ovlivňuje většinu fyzikálních a mechanických vlastností dřeva. Hustota je nejlepší kritérium při hodnocení dřeva. Objemová hmotnost – nehomogenní těleso. ρ není konstantní. Jarní a letní dřevo-> různé objemy mají různou hustotu (závislost na chemickém složení a anatomické stavbě Hustota – homogenní těleso, ρ je konstantní. -
určení hustoty u dřeva je složité vzhledem k hygroskopicitě. m i V jsou ovlivněny vlhkostí (w) jedna z nejlepších vlastností k posuzování dřevo = porézní materiál, V pórů (lumeny buněk a mezibuněčné prostory) často převyšuje V buněčných stěn. póry vytvářejí průchodný kapilární systém-> může být zcela zaplněn tekutinou redukce pórovitosti: doprovodné vyluhovatelné látky, thyly
hustoty: od nejnižší:
- konvenční, - maximální
w0 ρ0 =m0/V0
- redukovaná, - substance ρk = m0/Vmax
- nulová, - vlhkého dřeva
MH ρ = mw/Vw
wmax ρmax = mwmax/Vwmax
hustota dřevní substance -
hustota hmoty buněčných stěn bez submikroskopických dutin, lumenů a mezibuněčných prostor. ρs = ms/Vs v rozmezí 1440-1550kg.m-3 = průměrná 1530kg.m-3 závislost na chemickém složení Hustota
Podíl v listnáčích
Podíl v
-
Kg.m-3 % jehličnanech % Celulosa 1560 46-48 48-56 Hemicelulosa 1500 26-35 23-25 Lignin 1350 15-28 26-35 zjištění: ponoření tenkého řezu do kapaliny nezpůsobující bobtnání (benzen). Velké molekuly> hustota buněčné stěny, molekuly co se vejdou do mikropórů-> dřevní substance
12% vlhkost -
dlouhodobé vystavení teplotě 20° a vzdušné vlhkosti 65% Dřeva s nízkou hustotou <540kg/m3 Střední hustota
540-750 kg/m3
Vysoká hustota >750kg/m3 Hustota dřeva v suchém stavu (w=0%) Hustota dřeva při 12% Hustota dřeva vlhkého (w větší než 0%)
Borovice, smrk, topol, lípa, olše Modřín, buk, ořešák, jasan, kaštanovník Habr, moruše, akát
vztah hustoty, vlhkosti, hmotnosti k objemu -
-
hustota dřeva se zvyšuje s vlhkostí (maximální vlhkost: čím je hustota vyšší, tím je hodnota max. vlhkosti nižší. Výjimka jsou supertěžká dřeva: do meze hygroskopicity hustota klesá, voda v lumenech znamená pak zvýšení hustoty) hmotnost roste se zvyšující se vlhkostí do max. nasycení (wmax) objem se zvyšuje jen do MH -Hustota dřeva v suchém stavu je menší než hustota dřevní substance protože je součástí dřeva jsou i mikrokapiláry a lumeny vyplněné vzduchem. Hustota dřeva vlhkého je charakterizována podílem hmotnosti a objemu dřeva při určité vlhkosti. Známe dřeva s nízkou hustotou do 540kg.m-3 ( bo,sm, jd, tp,ol) Se střední hustotou 540-750 ( mo, tis,br,bk,hr,db,or) Vysoká hustota nad 750 ( hb, zimomráz, dřín, moruše, akát) Hustota dřeva se zvyšuje s vlhkostí ale hmotnost a objem nerostou stejným způsobem. Zatímco hmotnost dřeva roste se zvyšující se vlhkostí až do maximálního nasycení, objem se zvyšuje je do meze hygroskopicity.
redukovaná a konvenční hustota Je definována podílem hmotnosti dřeva v absolutně suchém stavu a jeho objemem při určité vlhkosti.
proměnlivost hustoty: hustota dřeva závisí na řadě faktorů, z nichž k nejdůležitějším patří chemické složené dřeva, stavba dřeva a vlhkost dřeva. Chemické složení kromě hustoty dřevní substance ovlivňuje také samotnou hustotu dřeva a to zastoupením dalších látek kromě hlavních chemických konstituentu. Jedná se hlavně o extraktivní látky, které zvyšují hustotu jádrového dřeva. Proto dřeva listnatá kruhově pórovitá, která jsou z pravidla jádrová, mají vyšší hustotu než dřeva roztroušeně pórovitá.
pórovitost -
-
jestliže hustota dřevní substance mezi dřevy je téměř neměnná závisí hustota dřeva zejména na anatomické stavbě dřeva- tloušťce buněčných stěn a průměru buněk a zejména na anatomické stavbě dřeva. Objem pórů v jednotkovém objemu suchého dřeva vyjadřuje pórovitost dřeva. mikropóry buň. stěn, lumeny, mezibuněčné prostory-> póry o průměru 1nm-500μm pórovitost je nepřímo závislá na hustotě (naše dřeva 40-80%)
15. Tlak bobtnání, hygroelastický efekt, vnitřní napětí při sušení dřeva
16. Pohyb vody ve dřevě – difuse, propustnost, kapilární elevace -
tekutiny (kapaliny a plyny) se ve dřevě pohybují 2 způsoby objemový tok (mezo- a makrokapiláry, hybná síla: gradient statického nebo kapilárního tlaku)
molekulární tok (pohyb plynů v lumenech buněk přes ztenčeniny buněčných stěn a pohyb vody vázané v mikrokapilárách buněčné stěny. Praktickou aplikaci objemového toku je tlaková impregnace ochranných látek do dřeva a impregnace monomery. Velikost objemového toku je dána propustností dřeva. Molekulový tok látek popisuje difuzi.
mechanismus pohybu vody vázané v buněčné stěně -
-
předpoklady vycházející ze sorpce a vlastní mechanismus bude dále využit při popisu difúze tekutin ve dřevě o molekuly H20 jsou sorbovány na sorpční místa (OH) – polární povaha-> vodíkové můstky, Vam der Waalsovi síly. o polymolekulární sorpce předpokládá schopnost vázání sorpčního místa poutat 1-7 molekul v závislosti RVD o rozhraní mezi mono a polymolekulární sorpcí se pohybuje kolem vlhkosti 6-8% jednotlivá sorpční místa jsou oddělena = potenciálové jámy = energetické bariéry (velikost potenciálové jámy se mění s vlhkostí, v MH je už konstantní)-> aktivační energie: nezbytná energie k překonání bariéry a přesunu molekuly Ea = 38 500 – 290w (j.mol-1) (w = 0-30%)
Difuze vody a plynů ve dřevě -
-
-
-
pohyb vody vázané ve dřevě (molekulový tok způsobený nenulovým gradientem koncentrace). Existuje-li ve dřevě nerovnoměrně rozložená vlhkost, je vyvolán pohyb vody ve dřevě. Je to molekulární tok způsobený nenulovým gradientem koncentrace, při kterém se látky snaží najít rovnovážnou koncentraci. Není nutný statický tlak, hybnou silou je pouze gradient koncentrace. Pod gradientem koncentrace si můžeme představit nerovnoměrně rozloženou vlhkost ve dřevě ale i nerovnoměrně rozloženou vlhkost ve dřevě ale i nerovnoměrně rozložené teplotní pole či chemický potenciál. Voda se v různém skupenství může pohybovat třemi cestami-napříč tangenciální buněčnou stěnou jako kapalina. Napříč lumenem v radiálním směru jako vodní pára a radiální buněčnou stěnou jako kapalina. Difúzi dělíme na difúzi izotermickou a neizotermickou, stacionární a nestacionární. Stacionární difúze: za ustálených podmínek je-li difúze konstantní v čase a mění se pouze vzdálenost můžeme proces popsat podle Fickova zákona Stacionární koeficient difúze je obvykle stanovován pohárkovou zkouškou. Tok kapaliny přes dřevo je měře hmotnostním úbytkem soustavy nádoba – kapalina- dřevo za určitý čas při známé ploše, přes kterou k toku látky dochází. Nestacionární difúze:
-
-
Jsou tok tekutiny i její koncentrace veličinami proměnnými v čase a prostoru na rozdíl od stacionárního děje, kde jsou obě veličiny považovány za konstantní. Dochází k němu při toku tekutin při ohřevu, impregnaci nebo sušení dřeva, proto difúzi vody ve dřevě často popisujeme jako nestacionární děj, který odvozujeme od stacionárního vztahu. Vliv faktorů na difúzi vody ve dřevě: ovlivňuje ji zejména anatomická stavba, hustota a vlhkost dřeva. Nejdůležitějším faktorem je pórovitost dřeva v důsledku rozdílné vodivosti vzduchu a buněčné stěny.
propustnost Množství vody, která proteče reálným tělesem. Tlak je navozen atmosférickým, hydrostatickým tlakem, není uměle zvyšován ani snižován.
-
-
Pohyb vody volné, tzn. při vlhkosti nad mez hygroskopicity. Klíčový poloměr vodivé cesty je 10-7. Pokud je poloměr menší než 10-7 jedná se o difuzi, pokud je větší jedná se o propustnost. Kapiláry s průměrem menším než 1mikrometr se nachází v buněčné stěně. Lumeny mají průměr vetší než 10(-7), propustnost tedy probíhá hlavně v lumenech, pokud je voda ve skupenství kapalném.
kapilární elevace povrchové napětí: - rozhraní mezi kapalinou a plynem - nerovnováha mezimolekulárních sil (Van der Walsových) v objemu a na povrchu -> - snaha molekul dosáhnout co nejmenšího energetického stavu-> nejmenší povrch kapaliny - závisí na teplotě (σ klesá s rostoucí teplotou) kapilární elevace - interakce mezi kapilárou a kapalinou je silnější než interakce mezi molekulami navzájem-> Difuse vody a plynů ve dřevě. Stacionární difuse vody ve dřevě – I. Fickův zákon. Nestacionární difuse vody ve dřevě – II. Fickův zákon.
17. -
Difuse vody a plynů ve dřevě
pohyb vody vázaní, pokud existuje nerovnoměrná vlhkost ve dřevě podmínka: nenulový gradient koncentrace není nutný vnější tlak, hybná síla je gradient koncentrace (nebo nerovnoměrnost vlhkosti, teplotního pole, chem. potenciálu vody)
pohyb vody v podélném směru -
rychlejší než příčně lumenem nebo buněčnou stěnou
pohyb vody v příčném směru: -
lumenem jako plyn buněčnou stěnou jako kapalina nerozlišujeme tangenciální a radiální směr koef. difuze na MH je 1:1 podélný : příčný, při w=0% je to 100:1 podélný:příčný (koeficient difuze v příčném směru s rostoucí vlhkostí stoupá, podélný klesá) o 1-100, protože hybnou silou je grad. koncentrace (vlhkosti). U vlhkého dřeva gradient mizí-> nemůže docházet k pohybu.
o
-
difuze v podélném > difuze v příčném (podélná d. závisí na koef. difuze páry, příčna dif. na koeficientu difuze kapaliny koeficient difuze = f (T, ρ, relativní vzdušná vlhkost, wdřeva) o čím vyšší teplota, tím vyšší koeficient difuze (se zvyšující teplotou se zvyšuje entalpie> množství potřebné energie klesá. Pokud množství energie zůstane konstantní, bude děj intenzivnější. S rostoucí teplotou se urychlí sušení) o čím je větší hustota, tím se voda hůře pohybuje. Proto jehličnany schnou rychleji než např. habr dub, buk
18. -
-
I.
stacionární difuze
Stacionární = v čase ustálených podmínek, je-li difúze konstantní v čase a mění se pouze se vzdáleností můžeme ten proces popsat podle 1. Fickova zákona. o mění se pouze vzdálenost T = konstanta -> Isotermická stacionární difuze vody vázané = pohyb vody vázané za konstantní teploty (neměnné v čase). vlhké dřevo považujeme za kontinum se spojitě se měnícími vlastnostmi Stacionární koeficient difúze je obvykle stanovován pohárkovou zkouškou. TOK KAPALINY PŘES DŘEVO JE MĚŘEN HMOTNOSTNÍM ÚBYTKEM SOUSTAVY NÁDOBA- kapalina- dřevo za určitý čas při známé ploše , přes kterou k toku látky dochází.
Fickův zákon
Za stacionárních (ustálených) podmínek, t.j. je-li difúze konstantní v čase a mění se pouze se vzdáleností, můžeme proces popsat podle I. Fickova zákona
nestacionární difuze -
tok tekutiny a koncentrace jsou proměnné v čase a prostoru ohřev, impregnace, sušení hybnou silou je jakýkoliv gradient -> 2. Fickův zákon
¨koeficient difuze (D) závisí na umístění ve dřevě. V různých bodech má koeficient různou hodnotu - pokud předpokládáme D= konstanta, zjištění přibližného průměrného koeficientu difuze předpoklady řešení nestacionární difuze s konstantním koeficientem difuze: - koeficient difuze je konstantní - počáteční vlhkost (koncentrace vlhkosti) je rovnoměrně rozložena do průřezu tělesa - povrchová vrstva tělesa dosahuje buď okamžitě rovnovážnou vlhkost (RVD) nebo je RVD na povrchu závislá rychlosti přestupu vlhkosti z tělesa do prostředí - tok vlhkosti v celém tělese je symetrická a těleso je homogenní - vhodné pro případy kdy koeficient není příliš variabilní Biotovo kritérium - vyjadřuje bezrozměrnou vlhkostní vodivost - koeficient přestupu vlhkosti (α) je závislý na rychlosti proudění vzduchu, hustotě a vlhkosti dřeva (s teplotou roste). Rozdíl je malý, proto používáme konstantu pro přestup vlhkosti ze dřeva do vzduchu: α=1.10-7m/s - Biotovo číslo určuje, jak bude dřevo vypadat v průřezu během sušení. - Rychlost navlhání dýhy závisí hlavně na okrajových podmínkách, u hranolu vlhkost postupně klesá k RVD. Hybnou silou je koeficient difuze. Hranol mění svoji vlhkost velmi pomalu, na rozdíl od dýhy.
Vliv faktorů na difuzi vody ve dřevě -
anatomická stavba (délka vodivých elementů, šířka lumenů, uspořádání cév u listnáčů a tracheid, v jarním a letním dřevě jehličnanů, orientace a vrstevnatost dř. paprsků hustota (s rostoucí hustotou koef. difuze klesá v závislosti na klesající pórovitosti) vlhkost dřeva (s rostoucí w podélná difuze klesá, zatímco příčná difuze roste až do MH)
19. -
-
Propustnost dřeva pro kapaliny a plyny
propustnost je objemový tok tekutin přes látku vyvolaný gradientem vnějšího tlaku (statického a kapilárního) souhrnně nazývaný hydrodynamickým pohybem. Měřítkem propustnosti může být pórovitost dřeva, která nám určije/obtížnost toku tekutin přes porézní látku za přítomnosti gradientu tlaku. propustnost je množství vody, která proteče reálným tělesem. Tlak je navozen atmosférickým a hydrostatickým tlakem, který není nějak uměle upravován. pohyb vody volné (při w nad MH) klíčový poloměr vodivé cesty 10-7m, lumeny mají poloměr větší než 10-7m, proto propustnost probíhá hlavně zde, pokud je voda v kapalném skupenství. kapilární systém: propojení lumenů buněk perforací cév, ztenčeninami buň. stěn nebo křížovými poli dřeňových paprsků. vodivé cesty: makro a mezikapiláry propustnost má také stacionární a nestacionární podmínky (jako difuze) tok látek probíhá dřevem jako viskózní (laminární), turbulentní a nelineární.
Viskozita -
jedna z podmínek Darcyho zákona, popisuje objemový tok látky. Newtonův zákon popisuje při laminárním proudění kapalin (jednotlivé vrstvy kapaliny tečou jinou rychlostí, prostřední nejrychleji) vnitřní tření, které způsobuje smykové napětí (τ)
pro určení toku (laminární, turbulentní, nelineární) používáme Reynoldsovo číslo (relativní rychlost toku v kapiláře) Záporné znaménko vyjadřuje opačnou orientaci síly a rychlosti a koeficient se nazývá dynamická viskozita. Při 20°C je dynamická viskozita vody 1.10-3.Podíl dynamické viskozity a hustoty kapaliny určuje kinematickou viskozitu.
stacionární propustnost Ustálené podmínky objemového toku kapalin tzn. Neměnná rychlost toku v čase, se popisují Darcyho zákonem v integrálním tvaru. podmínky: o laminární tok a viskózní (kapalina s vnitřním třením) o kapalina je nestlačitelná a homogenní o dřevo je homogenní a porézní o mezi kapalinou a látkou nevzniká žádná interakce o propustnost závisí na délce vzorku ve směru proudění kapaliny řada těchto předpokladů pro dřevo neplatí (homogenita a nenavlhavost)
20. -
Darcyho zákon
úměra mezi hustotou objemového toku kapaliny a působícím gradientem vnějšího tlaku - chemie: vliv doprovodných látek v lumenu (pryskyřice, tuky, třísloviny) - anatomická stavba: poloměr vodivé cesty, buňky, podíl jarního a letního dřeva (čím více jarního, tím větší propustnost), thyly -> propustnost jdoucí k nule - vlhkost: nad MH je propustnost nulová, v MH maximální, Pod MH je u listnáčů konstantní, u jehličnanů. Optimální je pro oboje na MH. - teplota: čím vyšší teplota, tím vyšší propustnost. Závislost teploty na dynamické viskozitě. Čím je kapalina teplejší, tím je viskozita vyšší. - hustota: nemá vliv
Hagen-Poisselův zákon pro viskózní kapaliny -
pohybující se tekutina o dynamické viskozitě η v kruhové kapiláře vyvolává smykové napětí na ploše S Objemový tok Q je přímo úměrný rozdílu tlaků na začátku a na konci trubice (ΔP) a čtvrté mocnině jejího poloměru pro laminární tok kapaliny pro jednu kapiláru o poloměru r.
Nestacionární propustnost Nestacionární hydrodynamický tok kapalin v porézních materiálech se od nestacionární difúze liší existencí rozhraní kapalina-plyn na čelní ploše postupujícího objemového toku. Za předpokladu paralelně uspořádaných identických kapilár kapalina pronikne v daném čase do všech kapilár stejně. -
na rozdíl od nestacionární difuze zde existuje rozhraní kapalina-plyn za předpokladu identických kapilár pronikne kapalina v daném čase do všech kapilár stejně-> vychází z darcyho zákona (respektuje podmínky)
všeobecně platí: listnáče jsou propustnější než jehličnany (způsobeno přítomností cév) - větší propustnost v podélném směru než v příčném podobně jako u difuse, v radiálním více než v tangenciálním. - jehličnany: propustnost ovlivněna ztenčeninami buň. stěny - vliv w: pro jehličnany ano-> sesychání mikrofibrilárních závěsů marga v dvůrkatých ztenčeninách, což se projevuje 2-3x vyšší propustností suchého dřeva proti vlhkému stavu. Nad MH s rostou w propustnost klesá v důsledku snižování efektivního poloměru kapiláry a větší možnosti nelaminárního proudění. - propustnost ovlivňuje sušení (hlavně jehličnany-borovice): Kapilární síly způsobí vychýlení marga nebo uzavírací blanky-> uzavření vodivé cesty-> chemické pouto torusu na valy sekundární buněčné stěny dvojtečky-> snížení propustnosti -
21. Kohezní síly a kapilární jevy ve dřevě. Kolaps dřeva a aspirace ztenčenin buněčné stěny. Při pohybu vody volné vzniká rozhraní mezi vodou a plynem, popsáno povrchovým napětím. Mezi molekulární síly jsou v celém objemu kapaliny v rovnováze. Povrchové napětí vyjadřuje snahu kapaliny o dosažení nejméně energeticky náročného stavu, kterému odpovídá nejmenší povrch kapaliny. -
mezimolekulární síly v kapalině jsou v rovnováze, převažují-li na povrchu kapaliny síly orientované dostředivě, povrch je vystaven tahovému napětí. povrchové napětí je závislé na teplotě 0-100°C Smáčí-li kapalina povrch kapiláry vykonává v ní pohyb určený tahovou silou v důsledku povrchového napětí a silou danou gradientem tlaků v plynu a kapalině.
kohezní síly Koheze se projevuje u pevných a kapalných látek, zatímco u plynů, které nejsou blízko stavu zkapalnění, se projevuje v daleko menší míře. Vazebná síla, kterou na sebe působí částice téže látky, se nazývá kohezní síla. van der waalsovy síly: přitažlivé síly působí mezi všemi atomy a molekulami. Protože je energie jejich vzájemného působení velmi malá, bývá většinou překryta jinou, silnější vazbou. - Podstatou van der Walsových sil je kvantově mechanický jev spočívající ve vzájemném elektrickém působení mezi dipóly. To jsou protáhlé útvary, nesoucí dva stejně velké opačné elektrické náboje na každém z obou konců. - Atomy všech látek jsou obvykle elektricky neutrální, neboť elektrony jsou rozděleny symetricky kolem jádra. Všechny atomy však konají při teplotě větší než 0 K kmitavý pohyb, v jehož důsledku dojde ke vzniku okamžitých krátkodobých narušení elektrické symetrie elektronového obalu, takže z neutrálních atomů vzniknou malé dipóly. Ty se mohou vzájemně orientovat tak, že se přitahují, nebo odpuzují. Podrobné výpočty ukazují, že v případě přitahování je celková energie systému nižší, než v případě odpuzování. Dojde tedy přednostně ke vzniku přitažlivých sil mezi dipóly a tím ke vzniku pevné látky (nebo kapaliny). Energie přitažlivých sil těchto vazeb má krátký dosah a klesá se šestou mocninou vzdálenosti.
kolaps dřeva -
Je vada vzniklá při sušení dřeva, kdy dochází ke zřetelnému zhroucení buněčné struktury, stlačení buněčných stěn směrem do lumenu makroskopicky: vlnitý povrch, trhliny (jiné než výsušné) náchylná jsou málo propustná dřeva s malými poloměry vodivých cest. na kolaps dřeva jsou náchylné listnáče, které jsou zathylovány (je snížena propustnost) ----v Severní Americe: tuje, tsuga, jalovec virginský- naše dřeva mají torus u malých poloměrů vodivých cest je vysoký kapilární tah-> mechanické namáhání buněčných stěn v příčném směru náchylná jsou dřeva jádrová s inkrustovanými buněčnými stěnami náchylná místa: listnáče: uzavírací blanka dvojtečky , jehličnany: otvory v margu a torusu dvojtečky faktory přispívající ke kolapsu: o anatomie: kritická velikost vodivých cest o povrchoví napětí, napětí v kapiláře je přímo úměrné povrchovému napětí kapaliny o hustota dřeva – konvenční mez pevnosti v tlaku je přímo úměrná hustotě dřeva
o
zvýšená teplota – přispívá ke snížení konvenční meze pevnosti v tlaku a současně ovlivňuje rychlost odstraňování vody ze dřeva
aspirace ztenčenin buněčné stěny -
-
uzavírání dvojteček snižuje propustnost dřeva a výrazně ovlivňuje impregnaci dřeva. tahové napětí v lumenu během odstraňování vody volné je to děj, který probíhá hlavně u jehličnanů. po pokácení je většina ztenčenin otevřena, poklesem w roste podíl uzavřených ztenčenin. Při MH je uzavřena většina ztenčenin jarních tracheid. Pod MH nedochází k zásadním změnám, protože se zde nevyskytují kapilární jevy, odolnost ztenčenin letního dřeva je odolnější, důsledek silnější membrány (torusu)- vyšší propustnost letního dřeva po vysušení vznikne mezi torusem a valem dvojtečky vodíkový můstek. Ten může být zrušen nasáknutím dřeva vodou
Faktory ovlivňující aspiraci ztenčenin: o o o o
vypařující se kapalina musí být schopna vazeb vodíkovými můstky (MUSÍ BÝT POLÁRNÍ) a musí mít dostatečně velké povrchové napětí dřevo v této kapalině bobtná efektivní otvory ve ztenčině musí být malé, aby vznikl výsledný gradient tlaků membrána musí mít malou tuhost (hustotu)- jarní dřevo jehličnanů
22. Tepelné vlastnosti dřeva-teplotní roztažnost, měrné teplo, přenos tepla -
sušení, tepelně izolační vlastnosti teplo je vnitřní energie spojená s kmitání částic
teplotní roztažnost -
zvyšování teploty tělesa způsobuje zvyšování energie jeho molekul (molekuly konají pohyb kolem své střední osy-> zvětšené rozměrů.
teplotní roztažnost je charakterizována koeficientem teplotní roztažnosti αi (podobně jako (bobtnání a sesychá, je to podíl nového a původního rozměru). -
Koeficient teplotní roztažnosti vyjadřuje změnu délky dřeva při ohřátí o 1K v důsledku anizotropie jsou poměry (podobně jako u bobtnání) T : R : L 15 : 10 : 1 (zhruba 104x menší) koeficient teplotní roztažnosti závisí na druhu dřeva (hustotě)
měrné teplo -
dřevo akumuluje teplo, veličinou je měrné teplo (množství tepla nutné k ohřátí jednotkové hmotnosti o 1K) hmotnost absolutně suchého dřeva je hmotnostní substance, proto c nezávisí na druhu dřeva ani hustotě. c závisí na teplotě a vlhkosti hodnota průměrně měrného tepla od 0-100°C he c0 (w=0%) 1,36…1,1171 kJ.kg-1.K-1
-
-
Pokud je teplotní stav konstantní - stacionární měrné teplo, změna teploty v čase – nestacionární měrné teplo. Změna vlhkosti dřeva v rozsahu vody vázané se podle termodynamiky sorpce projevuje také změnami tepla. Základem je výpočet diferenciálního tepla sorpce, který můžeme aplikovat i na výpočet měrného tepla vlhkého dřeva. Při vlhkosti nad mez hygroskopicity klesá vliv hustoty dřeva a měrné teplo nevykazuje významnějších rozdílů mezi různými druhy dřeva. Přenos tepla: znalost procesů spojených s přenosem tepla ve dřevě nám umožňuje předvídat rychlost teplotního spádu a rozložení teplot v tělese při existenci gradientu teplot v tělese. Přenos tepla ve dřevě se může teoreticky uskutečňovat ve třech základních formách: vedením, prouděním a sáláním. Tok vody vázané i tepelný tok lze popsat jako stacionární a nestacionární děj. Význam přenosu tepla vzrůstá zejména při stanovování sušících režímů a posuzování tepelně izolačních vlastností dřeva.
23.
přenos tepla -kondukce, konvekce, radiace
umožňuje nám předvídat rychlost teplotního spádu a rozložení teplot v tělese při existenci gradientu teplot v tělese. 3 základní formy sdílení tepla: vedení = kondukce proudění = konvekce sálání = radiace tepelný tok také lze popsat jako stacionární a nestacionární v tělese. Přenos tepla ve dřevě se může teoreticky uskutečňovat ve třech základních formách: vedením, prouděním a sáláním. Tok vody vázané i tepelný tok lze popsat jako stacionární a nestacionární děj. Význam přenosu tepla vzrůstá zejména při stanovování sušících režimu a posuzování tepelně izolačních vlastností dřeva. je li teplota konstantní teplotní spád -> stacionární děj není-li teplotní spád konstantní -> nestacionární děj uplatnění hypotermická úprava (sušící režimy) posuzování tepelně izolačních vlastností Přenos tepla probíhá vzájemnými srážkami částic-> v pevných látkách je intenzivnější (u tekutin je přenos tepla pomalejší) Význam přenosu tepla vzrůstá zejména při stanovování sušících režimů a posuzování tepelněizolačních vlastností dřeva. vedení tepla = kondukce Přenos tepla hmotným prostředím, jehož objemové elementy vykonávají translační pohyb, Prouděním se tedy popisuje tepelný tok v tekutinách nebo na rozhraní tekutiny a pevné látky, Děj popisuje Newtonův zákon ochlazování. Proudění volné ( přirozené) =pohyb tekutiny je vyvolán samovolnou změnou teploty Proudění nucené= pohyb tekutiny je vyvolán působením vnějších sil proudění tepla = konvekce - probíhá u tekutin (plyny a kapaliny)- translační pohyb - Pohybem hmoty dochází k vzájemnému pohybu jednotlivých částí, které mají odlišnou teplotu a tedy různou hustotu vnitřní energie, a tím se přenáší teplo. - Samovolné proudění teplejších částí tekutého systému obvykle stoupá vzhůru, protože hustota kapalin a plynů s teplotou zpravidla klesá. sálání tepla = radiace Sálání je přenos energie mezi dvěma tělesy o různé teplotě pomocí elektromagnetických vln. K přenosu tepla není potřeba na rozdíl od kondukce a konvekce hmotného prostředí. Základní vztah
pro tepelnou radiaci je stefan-boltzmanův zákon pro černá tělesa udávající maximální tepelný tok, který může být eliminován tělesem o povrchové teplotě Ts.
24.
stacionární difuze tepla- stacionární vedení tepla
Stacionární difúze Popisujeme Fourierův zákon je obdobou Fickova a Darcyho zákona pro popsaní pohybu vody ve dřevě. koeficient tepelné vodivosti vyjadřuje množství tepla, které proteče jednotkovou plochou za jednotku času při jednotkovém gradientu teploty. Popisujeme ho změnou teploty v prostoru a předpokládá konstantní průběh v čase, což odpovídá stacionárním podmínkám děje. Tabulkové hodnoty ukazují že dřevo- zvláště ve směru napříč vláken je relativně dobrým tepelným izolátorem. Na dobrých tepelně-izolačních vlastnostech dřeva se značně podílí pórovitost a výsledkem je značná odolnost konstrukčních dřevěných prvků proti ohni. Dlouhá doba potřebná ke změně teploty v objemu dřeva společně s měrným teplem činí ze dřeva ideální materiál pro tlusté obvodové zdi. Tepelná vodivost závisí do značné míry na hustotě a vlhkosti dřeva. Stacionární difúze tepla ve 2-rozměrných prostorech.: Tepelný tok pouze v jednom směru. Obecnějším případem stacionární difúze je vedení tepla ve dvourozměrném prostoru , kterou vyjadřuje Laplaceho rovnice. změna teploty v prostoru, předpokládá konstantní průběh v čase = stacionární podmínky. dřevo je ve směru napříč vláken málo vodivé = dobrý izolátor. s rostoucí vlhkostí a hustotou roste koeficient tepelné vodivosti dřevo má vysokou tepelnou kapacitu (vysoké měrné teplo) a malou tepelnou vodivost kovy mají vysokou tepelnou vodivost nestacionární difuze tepla rozložení teploty v čase-> derivace I. Fourierova zákona podle času a vzdálenosti. zjednodušeno na jednorozměrný prostor při přechodu tepla se část spotřebuje pro vyrovnání vnitřní energie čístic o ΔT koeficient teplotní vodivosti a schopnost materiálu vyrovnávat teplotní rozdíly je měřítkem doby nutné k nerovnoměrnémz prohřátí na určitou teplotu při sušení dřeva α koeficient přestupu tepla ze dřeva do vzduchu (W.m-2.K-1) anatomická stavba (anizotropie, rozdílná tepelná i teplotní vodivost v podélném a příčném směru. V podélném je 1,5-2,5 x větší než v příčném směru. Orientace fibril v buněčné stěně, která kromě vrstvy S2 není příliš jednoznačná hustota (se zvyšující se hustotou tepelná vodivost λ roste, teplotní vodivost a naopak klesá, tj. dáno rozílnými hodnotami tepelné a teplotní vodivosti vzduchu a dřevní substance. S rostoucí hustotou roste podíl substance vlhkost (jako u hustoty, tepelná vodivost roste, teplotní vodivost klesá, teplotní vodivost klesá zvláště nad MH, protože a vody je nohem nižší než vzduchu (150x) proudění tepla- Newtonův zákon ochlazování přenos tepla hmotným prostředím translační pohyb -> tepelný tok v tekutinách nebo na rozhraní tekutiny a pevné látky: V závislosti na působení vnějších sil se proudění dělí na proudění volné (přirozené) - pohyb tekutiny je vyvolán samovolnou změnou teploty (např. v důsledku změny hustoty tekutiny) proudění nucené - pohyb tekutiny je vyvolán působením vnějších sil (např. ventilátor, kompresor) Proudění je přenos tepla hmotným prostředím, jehož objemové elementy vykonávají translační pohyb. Prouděním se tedy popisuje tepelný tok v tekutinách nebo na rozhraní tekutiny a pevné látky. Děj popisuje Newtonův zákon ochlazování Teplo se při proudění přenáší pohybem makroskopických částic látky – tekutiny. V závislosti na působení vnějších sil se proudění dělí na proudění volné (přirozené) - pohyb tekutiny je vyvolán samovolnou změnou teploty (např. v důsledku změny hustoty tekutiny) proudění nucené - pohyb tekutiny je vyvolán působením vnějších sil (např. ventilátor, kompresor)
25.
Hořlavost dřeva
Problematika hořlavosti dřeva spočívá v určení faktorů a podmínek, které průběh hoření ovlivňují. Samotná hořlavost není fyzikální veličinou ale veličinou popisnou, která vyjadřuje chování dřeva při působení vyšších teplot. Při studiu hořlavosti dřeva vlastně porovnáváme jen změny chemického složení, anatomické stavby a fyzikálních vlastností, ke kterým došlo vlivem proběhnutí termooxidační reakce. Hoření dřeva představuje termický rozklad vazeb základních chemických komponent dřeva a změnu jeho chemického složení za vzniku nových produktů. Zařazení materiálu mezi hořlavé látky závisí na řadě kritérií, která jsou zkoušena podle odpovídajících norem (ČSN, DIN 4102). Hořlavost dřeva je určována bodem vzplanutí, bodem hoření, bodem zápalnosti a termickým rozkladem dřeva. Body vzplanutí, hoření a zápalnosti Bodem vzplanutí je označována taková teplota dřeva, při které se v důsledku termického rozkladu vyvine dostatečné množství plynů, které ve směsi se vzduchem při přiblížení plamene vzplanou a po jeho oddálení uhasnou. Bod vzplanutí leží u dřeva v rozmezí 180-275°C a závisí na druhu dřeva, hustotě, chemickém složení a vlhkosti dřeva. Bod vzplanutí je jasně definovatelný pouze u tekutin. Bodem hoření je označována taková teplota, při které dřevo po oddálení vnějšího zdroje plamene samo dále hoří. Bod hoření se u dřeva pohybuje mezi 260-290°C. Bodem zápalnosti je označována taková teplota, při které se plyny vzniklé termickým rozkladem při dodání kyslíku samovolně vznítí. Bod zápalnosti u dřeva leží mezi 330-520°C. Také zde je výrazný vliv všech výše uvedených faktorů. Výhřevnost dřeva Výhřevnost je množství tepla, které získáme spálením 1 kg dřeva. Vzhledem k nepatrné závislosti hustoty dřevní substance na druhu dřeva, kterou považujeme za téměř konstantní, se výhřevnost dřeva pohybuje v rozmezí 18...19 MJ.kg-1. Výjimkou jsou dřeva bohatá na pryskyřice a další hořlavé doprovodné látky. Pod výhřevností tedy rozumíme množství energie, které vznikne oxidací jednotkového množství hořlavých látek při působení zvýšené teploty. Hodnota je zpravidla zjišťována kalorimetricky. Vliv faktorů na hořlavost dřeva Vedle chemické složení ovlivňují hořlavost dřeva zejména anatomická stavba, hustota, vlhkost dřeva a kvalita povrchu. Anatomická stavba dřeva kromě svého ovlivnění tepelných vlastností dřeva má přímý vliv na hoření dřeva. Vliv je dán pórovitostí dřeva, velikostí mikro- a makrokapilár, které ovlivňují transport kyslíku do dřeva a odvod plynných produktů pyrolýzy. Degradace dřeva termickým rozkladem se projeví rostoucí pórovitostí dřeva. Hustota dřeva ovlivňuje množství energie nutné na zapálení a hoření dřeva. Vliv hustoty se ale projeví jen při stejném chemickém složení dřeva. Např. dřeva s vyšším obsahem celulózy jsou hořlavější i případě, že mají vyšší hustotu než dřeva méně hustá. Chemické složení je vždy důležitější než hustota dřeva.
S rostoucí vlhkostí se zvyšuje i odolnost dřeva proti zapálení a hoření. vysvětlení spočívá ve skutečnosti, že se část tepelné energie spotřebuje na odpaření vody volné a narušení vazeb a odpaření vody vázané. Navíc vodní parou zředěné hořlavé plyny mají nižší koncentraci a tím i horší zápalnost. Voda obsažená ve dřevě je proto dobrým retardérem hoření, ale pro negativní vliv na většinu ostatních fyzikálních a mechanických vlastností je z praktického hlediska tato schopnost nevyužitelná. Povrch materiálu je další fyzikální vlastností, která významnou měrou ovlivňuje hoření. Dřevo jako kapilárně-pórovitý materiál se vyznačuje drsností, která kromě způsobu opracování závisí na anatomické stavbě. Kvalita povrchu ovlivňuje zejména koeficienty přestupu tepla a vlhkosti ze dřeva do prostředí, což má význam při difúzi vody a tepla ve dřevě. Kvalitní a hladký povrch odráží tepelnou energii, a tím je hůře zápalný než povrch drsný při stejných zátěžových podmínkách. Broušené povrchy proto lépe odolávají působení tepelného zdroje a čas vzplanutí dosahuje nejvyšších hodnot. Důležitým faktorem z hlediska šíření tepla ve dřevě je poměr objemu tělesa k jeho povrchu. S klesající hodnotou tohoto poměru (štěpka, třísky, prachové částice) je zápalnost mnohem snadnější.
26.
Elektromagnetické vlastnosti dřeva
Dřevo je přírodní materiál s komplexní strukturou a stavbou a je-li vystaveno střídavému elektromagnetickému poli, vykazuje své další specifické vlastnosti. Elektromagnetické pole seskládá ze dvou komponentů- elektrického a magnetického pole. Vliv obou polí je na dřevo rozdílný. - Magnetické vlastnosti: po vložení tělesa do magnetického pole (s intenzitou H) se objem zmagnetizuje. Míra magnetizace je magnetický moment jednotkového objemu látky M. - Charakteristickou vlastností je magnetická susceptibilita, která určuje vztah mezi zmagnetizováním látky a intenzitou magnetického pole. m. susceptibilita je u dřeva <0, tedy vliv magnetického pole na dřevo je zanedbatelný Elektrické vlastnosti:, Oproti magnetickému poli je vliv elektrického pole na dřevo elmi výrazný, výsledkem vzájemné interakce mezi elektrickým polem a dřevem je vznik elektrického pole v materiálu. - při vnějším působení elektrického pole se dřevo v celém rozsahu vlhkosti chová jako dielektrikum = je izolantem v suchém stavu, polovodičem w>MH (polovodič = Polovodič je pevná látka, jejíž elektrická vodivost závisí na vnějších nebo vnitřních podmínkách, a dá se změnou těchto podmínek snadno ovlivnit). - Po vložení dřeva do elektrického pole se vázané náboje a jejich nosiče nemohou pohybovat na větší vzdálenosti. Výsledkem je malá elektrická vodivost podmíněná malým množstvím volných nábojů a výrazná polarizace dřeva vlivem nábojů vázyných. Polarizační efekt je způsoben změnami prostorového uspořádání elektricky nabitých částic dřeva pod vlivem vnějšího elektrického pole. Za nejdůležitější elektro fyzikální vlastnosti dřeva považujeme jednosměrnou elektrickou vodivost, dielektrické vlastnosti, elektrickou pevnost a piezoelektrické vlastnosti. - náboje: o volné náboje – málo o silně vázané náboje vložení do el. pole se náboje vázané nemohou pohybovat na větší vzdálenosti-> malá elektrická vodivost (volné náboje) a výrazná polarizace (vázané náboje) - polarizační efekt: změna uspořádání elektricky nabitých částic
27. -
jednosměrný el. odpor a elektrická vodivost
umístíme-li na protilehlí strany libovolného tělesa dva zdroje o rozdílném el. napětí (elektrody) vzniká mezi nimi elektrický proud-> ohmův zákon R=U/I r- elektrický odpor (ohm), napětí U (volt), proud I (amper) hybnou silou je gradient U R je závislé na velikosti tělesa délce l s průřezu S R = ρl/s (ρ- měrný el. odpor Ω.m)
Převrácené hodnoty: R – elektrický odpor -> G- elektrická vodivost , G=R-1, G=I/U ρ - měrný el. odpor -> γ (gama) – měrná elektrická vodivost γ=ρ-1 měrný povrchový a vnitřní odpor/vodivost: Měrný vnitřní odpor: poměr intenzity elektrického pole a proudové hustoty uvnitř vzorku Měrný povrchový odpor: poměr intenzity el. pole a proudové hustoty na povrchu -
praktické uplatnění odporu/vodivosti –jsou odporové vlhkoměry
Vlivy na měrný el. odpor (ρ) a vodivost (γ) -
anatomická stavba – anizotropie podobná vedení tepla. ρ napříč je 2-8x větší než ρ podél, v radiálném směru cca o 10% vetší než v tangenciálním, u vodivosti (γ) jsou poměry obrácené teplota vlhkost – míra anizotropie závisí na vlhkosti (rozhodující jsou vlhkosti na hranici monomolekulární sorpce a MH o w=0-7%, γ podél 4-8x větší než γ napříč o w=7-30%. γ podél 2-4x větší než γ napříč o nad MH je rozdíl méně výrazný absolutně suché dřevo má měrný vnitřní odpor 1014-1016 Ω.m -> velmi dobrý izolant
-
-
se stoupající vlhkostí měrný odpor prudce klesá, do MH klesne ρ o 10 řádů, nad MH do wmax o 2 řády vlhkoměry musí brát ohled na teplotu, protože ta má obrovský vliv na odpor (se zvyšování teploty měrný odpor klesá, velikost změny závisí na vlhkosti, nejvyšší je u absolutně suchého dřeva) hustota – měrný el. odpor ani vodivost s hustotou nesouvisí chemické složení, % zastoupení ligninu a minerálů, el vodivost s množstvím rostoucím ligninu zvyšuje (více el. vodivosti u listnáčů) kontaminace dřeva chemickými látkami (zejména iontové povahy) sodík, draslík, hořčík
28.
Dielektrické vlastnosti dřeva.
Vlastnosti dřeva jako dielektrika popisujeme dielektrickými veličinami-relaativní permitivitou, ztrátový činitel, ztrátové číslo. ZJIŠTUJEME JE PŘI APLIKACI STŘÍDAVÉHO PROUDU KDE SLEDUJEME
FÁZOVÝ POSUN NAPĚTÍ a proudu mezi elektrodami a kondenzátorem ze dřeva. Po vložení dielektrika –dřeva- do pole kondenzátoru nastává jeho polarizace napětí o ½ Pí(takový ten řecký klikyhák). Po vložení dielektrika do pole kondenzátoru nastává jeho polarizace a fázový posun mezi proudem a napětí U0, je pro klidový stav velokost náboje. Druhy mechanického namáhání dřeva, napěťově deformační chování dřeva. Normálová a smyková zatížení. Ohybová a kroutící zatížení. Tenzor napětí a malých deformací. Transformace složek tenzoru napětí a malých deformací. Ortotropní pružnost dřeva – Hookeův zákon. Elastické chování dřeva. Dřevo jako speciálně a obecně ortotropní materiál. materiálové konstanty. Stanovení materiálových konstant. Transformace materiálových konstant. Pevnost a pružnost dřeva v tlaku. Pracovní diagram, pevnostní charakteristiky, materiálové konstanty, vliv faktorů. Pevnost a pružnost dřeva v tahu. Pracovní diagram, pevnostní charakteristiky, materiálové konstanty, vliv faktorů. Pevnost a pružnost dřeva v ohybu. Pracovní diagram, pevnostní charakteristiky, materiálové konstanty, vliv faktorů. Pevnost a pružnost dřeva ve smyku. Pracovní diagram, pevnostní charakteristiky, materiálové konstanty, vliv faktorů. Pevnost a pružnost dřeva v krutu. Pracovní diagram, pevnostní charakteristiky, materiálové konstanty, vliv faktorů. Mechanika porušení dřeva – teorie lomu. Kritéria porušení dřeva. Reologie dřeva – tečení a relaxace. Viskoelastické chování dřeva – plastičnost a viskozita dřeva. Zjišťování fyzikálních a mechanických vlastností dřeva. Třídy pevnosti u rostlého dřeva - systém tříd pevnosti podle EC5 (EN 338). Charakteristické hodnoty.
29.
Akustické vlastnosti dřeva
Dřevo je materiálem s velmi dobrými akustickými vlastnostmi, které ho předurčují k výrobě hudebních nástrojů a ke zlepšení akustických vlastností společenských místností - kin, divadel a koncertních síní. Akustické vlastnosti jsou vyjadřovány schopností materiálu utlumit, vést nebo zesílit zvuk. Zvukem se nazývá mechanické vlnění prostředí, které vnímáme sluchovým orgánem jako zvukový vjem. Jeho vnější příčinou je uspořádaný kmitavý pohyb molekul hmotného prostředí přenášený působením sil, kterými molekuly na sebe vzájemně působí. Zvuk se proto šíří jen v hmotném prostředí. Zvuk jako mechanické vlnění může být charakterizován vlnovou délkou, amplitudou vlnění, frekvencí a rychlostí šíření zvuku. Šíření zvuku ve dřevě V pružném prostředí – pevných látkách a tekutinách – jsou částice mezi sebou vázány nebo na sebe působí při vzájemných srážkách. Tyto vazby způsobují, že kmitání částic se v kontinuu přenáší a dochází k šíření mechanického vlnění, které je doprovázeno vznikem elastických vln. Znalost šíření elastických vln v materiálu má značný význam jak pro hodnocení dynamické odezvy při zatěžování, tak i pro popis kmitů různých konstrukčních prvků. Na rozdíl od řady technických materiálů (zejména kovů) je studium šíření vln ve dřevě výrazně složitější, protože dřevo vykazuje anizotropní vlastnosti související s chemickým složením a anatomickou stavbou. Teoretické představy o šíření elastické vlny v homogenním anizotropním neomezeném prostředí budou probrány společně s mechanickými vlastnostmi dřeva, protože se vychází ze všeobecného znění Hookeova zákona. Zde si všimneme jednoduchého případu šíření podélného vlnění v tenké tyči, které je použitelné pro ortotropní směry šíření zvuku ve dřevě – podélný, radiální a tangenciální.Poměr hodnot rychlosti šíření zvuku ve dřevě podél a napříč vláken v radiálním a tangenciálním směru lze vyjádřit přibližně cL : cR : cT = 15 : 5 : 3.
Velikost uvedených poměrů závisí na dřevině a na poměru modulů pružnosti podél vláken a kolmo na vlákna. Rychlost šíření zvuku se zvyšuje s hustotou dřeva, závislost je však malá a prakticky nevyužitelná.
Teorie akustických vlastností dřeva Necháme-li na dřevo působit periodické vnější síly – dřevo začne kmitat. Vibrací dřeva – kmitáním – rozumíme obecně takový pohyb hmotného bodu, při němž tento nepřekročí konečnou vzdálenost od rovnovážné polohy, t.j. polohy, kterou by zaujal, kdyby byl v klidu. Vibrace jsou vyvolány odpovídajícím silovým působením, na základě kterého se stanovují elastické konstanty dřeva moduly pružnosti, rychlost šíření zvuku ve dřevě a logaritmický dekrement útlumu.Kmitání může být rovinné, kde je výsledný pohyb složen ze dvou lineárních oscilací, nebo prostorové, složené ze tři lineárních oscilací. U deskových materiálů můžeme kmitání rozdělit podle toho, ve kterém směru vzniká výchylka. U strunných hudebních nástrojů převažují ohybové kmity, které jsou charakterizovány tvarem kmitání (vibračním módem), jeho frekvencí a tlumením. Tvar kmitání je dán výchylkami a uzlovými liniemi. Body ležící v uzlové linii mají nulovou výchylku (tato část tělesa zůstává v klidu) a při dané frekvenci kmitání je jejich počet konečný. Počet uzlových linií v rovině desky ve směru os x1 a x2 určuje tvar kmitání. Při změně frekvence kmitání dochází ke změně počtu uzlových linií a tím i tvaru kmitání. Prvních osm tvarů kmitání izotropní desky je na obr. Přesný tvar uzlových linií a posloupnost tvarů kmitání závisí na elastických konstantách a rozměrech dřeva. Rezonanční vlastnosti dřeva Rezonanční vlastnosti jsou odvozené vlastnosti dřeva založené na rezonančních frekvencích a uplatňují se při charakteristice visko-elastických vlastností dřeva. Dřevo představuje komplex přírodních polymerů s různým vztahem k pružnosti a vazkosti. Jestliže podrobíme dřevo i velmi malým napětím, pak vzniklá deformace neodpovídá fázi napětí, jak by tomu mělo být v případě ideálně elastické látky. Rezonancí dřeva nazýváme schopnost dřeva zesilovat zvuk bez zkreslení. Rezonanci můžeme určit některou z nedestruktivních metod, které stanovují pružné a plastické charakteristiky dřeva na základě přímého nebo nepřímého měření rychlosti šíření pružných vln ve dřevě. V tělese tvaru tyče tak můžeme vyvolat podélné, příčné nebo torzní kmitání (vibrace). Pro každou část dřeva pak existují odpovídající frekvence kmitání, při kterých vzniká maximální deformace tělesa. Tyto frekvence jsou funkcí rozměrů tělesa, jeho hustoty, pružných vlastností, vlhkosti a teploty tělesa, a tvaru kmitání. Za rezonanční dřevo považujeme takové, které vykazuje dobré rezonanční vlastnosti a používá se na výrobu rezonančních desek hudebních nástrojů. Typickými rezonančními dřevy jsou dřeva jehličnanů, a to zejména smrk. Akustická konstanta se snižuje s rostoucí hustotou, proto se nevhodně projevuje vliv např. reakčního dřeva. Letokruhy mají být souměrně rozloženy, dřevo nesmí mít suky ani jiné vady. Tyto znaky však slouží pouze pro orientaci při výběru dřeva. Současně se berou v úvahu zvukové charakteristiky jednotlivých druhů. Velmi dobré akustické vlastnosti má dřevo, které je dlouho uskladněno a ponecháno přirozenému vysýchání po dobu 3 - 5 let. Tím se podstatně sníží možnost vzniku vnitřního napětí a vnitřních trhlin ve dřevě, které zhoršují rezonanční vlastnosti dřeva.
30.
Povrchové a optické vlastnosti dřeva
Povrch dřeva: Plocha která odděluje dřevní substanci od okolního prostředí, Je vnější a vnitřní povrch dřeva. Jedním z důležitých parametrů povrchu dřeva je drsnost. Měření drsnosti: mechanické metody založené na na registraci pohybu zapisovače po povrchu materiálu anebo optické metody založené na měření odrazu světelných paprsků dopadajících pod určitým úhlem na povrch materiálu. Textura je daná makroskopickou stavbou, která je výsledkem stavby, tvaru a šířky letokruhu. Barva dřeva:zrakový vjem, který je závislý na spektrálním složení odražených paprsků. Světlo se chová podle Maxwellovy teorie jako jakékoliv jiné elektromagnetické záření šířící se extrémně vysokými rychlostmi. Světlo je definováno, jako zářením které zaznamenává lidské oko. Viditelná oblast elektromagnetického spektra představuje pouze úzký výsek vlnových délek kolem 550nm. Obvykle vidění zahrnuje záření v oblasti 400-700nm. V rámci tohoto intervalu interpretuje lidské oko záření různých vlnových délek jako různé barvy. Barvu dřeva určují jeho hlavní chemické složky- celulóza, hemicelulóza a lignin, důležité je také zastoupení extraktivních látek. Pro charakteristiku barvy dřeva se používá 3 základních ukazatelů- tonu, čistoty a světlosti. Ton barvy nám určuje vlnovou délkou světelného spektra. Čistota barvy vyjadřuje stupeň zředění spektrální barvy bílo a pohybuje se v rozmezí mezi 0-100%. Světlost barvy vyjadřuje koeficient odrazu. Dřevo má schopnost světelné paprsky některých vlnových délek pohlcovat s jiných odrážet, přičemž odražené paprsky mají jiné spektrální složení než dopadající.
