Fyzikální vlastnosti kapalin

Fyzikální vlastnosti kapalin

Tekutiny - hmotná tělesa; jednotlivé částečky se proti sobě velmi snadno posunují,  působením i nepatrných sil mění svůj tvar - tekou Kapaliny - za normálních podmínek v kapalném skupenství, stálý objem, na styku s jinou kapalinou (s níţ se nemísí) nebo s plynem pevně definované rozhraní (hladina), téměř nestlačitelné Vzdušiny (plyny a páry) - za normálních podmínek plynné skupenství, zaujmou vţdy celý objem který mají k disposici, velmi stlačitelné

HY2V


2

VODA • nejběţnější kapalina; chemicky oxid vodíku, H2O • velmi neobvyklé vlastnosti (ve srovnání s obdobnými sloučeninami) - vysoký bod tání a varu, vysoká skupenská tepla, teplotní hustotní anomálie, vysoké povrchové napětí, vynikající rozpouštědlo solí a polárních látek - vyplývají z vlastností molekuly: +H

H+

O-

105

O2-

H+

0,096 nm

+H

+H

O H+

0,276 nm

• dipolární charakter el. náboje  molekuly vázány mezi sebou vodíkovými můstky (elektrostaticky) do shluků (relativně krátkodobé existence - ca 100 ps) obklopených jednotlivými molekulami, které na sebe vzájemně i na shluky neustále působí elektrostatickými silami. HY2V


3

SKUPENSTVÍ 3 skupenství (fáze):

pevné kapalné plynné

p

pt

přechod z fáze: pevné  kapalné : tání kapalné  pevné: tuhnutí pevné  plynné: sublimace plynné  pevné: desublimace kapalné  plynné: výpar plynné  kapalné: kondenzace

kapalná fáze

pevná fáze

T plynná fáze

Tt

HY2V

trojný bod - všechny fáze v rovnováze

t

(voda: Tt=273,16 K = 0,01 C, pt = 612 Pa)


4

SKUPENSTVÍ 3 skupenství (fáze):

pevné kapalné plynné

p

pt

kapalná fáze

pevná fáze

T plynná fáze

Tt

HY2V

rovnováha kapalné a plynné fáze - při dané teplotě vnější tlak roven tlaku nasycených par

kritický stav (bod) - mezi oběma fázemi mizí rozdíl (voda Tkrit = 374.2 C, pkrit = 2.21·107 Pa) var - (stoupající bubliny páry v celém objemu kapaliny); Tvaru = f(p) (voda při pa=1013.23 hPa t - Tvaru=100 C)


5

Pokles tlaku   aţ moţnost varu při normální teplotě tvorba bublin plynů a páry při vzrůstu tlaku imploze bublin   prudký lokální nárůst tlaku (aţ řádu 100 MPa), el. výboje, ...  kavitace  mechanická a elektrochemická koroze materiálu, hluk, vibrace

p

pt

kapalná fáze

pevná fáze

T plynná fáze Tt

HY2V


t 6

Tlak nasycených par v závislosti na teplotě

HY2V


7

HUSTOTA KAPALIN m V Závisí na druhu kapaliny.

hustota kapaliny

ρ

[kgm-3]

Hustoty různých kapalin při T=18 C a p=105 Pa Kapalina

 [kgm-3] kapalina

Aceton

791

Benzín

700-750

transformátorový olej petrolej

 [kgm-3] 866 760-860

Etylalkohol

790

rtuť

13551

Glycerin

1260

tetrachlor

1590

chloroform

1489

voda

998,6

teplotní roztaţnost kapalin  hustota závisí na teplotě HY2V


8

hustota čisté vody voda - teplotní anomálie:

1010  [kg·m-3]

1000

max=999.97 kgm-3 při T=3.98 C (p=1013.23 hPa)

990 980 970 960 950 -10 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 teplota T [C]

hustota rtuti

rozpuštěné látky  větší hustota

13700 13650

mořská voda ca +0.8 kgm-3 pro +1‰ salinity např. pro salinitu 35 ‰ (Atlantik, Středozemní moře)  =1028 kgm-3

 [kg·m-3]

13600 13550 13500 13450 13400

13350 13300 -20

0

20

40

60

80

100

teplota T [°C] HY2V


9

TEPLOTNÍ ROZTAŢNOST dV  β  V0  dT

dV [m3] ... změna objemu β  f p, T   [°C-1] ... součinitel roztaţnosti V0 [m3] ... počáteční objem dT [°C] ... změna (gradient) teploty

Řešení reálných případů : dV→V, dt →t 

ΔV  β  V0  ΔT

V  V0  ΔV  V0  1  β  ΔT 

Výsledný objem :  pro vodu při atmosférickém tlaku:

. 104 [°C-1]

součinitel roztaţnosti vody 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

T [°C] HY2V


10

STLAČITELNOST dV    V0  dp

dV [m3] ... změna objemu  [m2N-1] ... součinitel objemové stlačitelnosti V0 [m3] ... počáteční objem dp [Pa] ... přírůstek tlaku 1 [Pa] ... modul objemové pruţnosti K  Řešení reálných případů : dVV, dp p  ΔV    V0  Δp Δp   V  V0  ΔV  V0   1   K  

Výsledný objem : pro vodu K=f(p,T) p [MPa]

T [C] 0

20

40

60

99

0.1 – 5

1.886

2.030

2.184

2.155

2.052

5 – 10

1.942

2.160

2.184

2.155

2.052

HY2V


11

ŠÍŘENÍ TLAKOVÉHO VZRUCHU tlakový vzruch malé intenzity se šíří rychlostí zvuku c0 

v neomezeném prostředí

pro vodu (empirický vztah)

1 K  ρ ρ

[ms-1]

c0  1410  4.2  T  0.036  T 2

v omezeném prostředí (kanály, potrubí) c 

1      ρ

pro přímé kruhové potrubí s homogenní tenkou stěnou e [m]... tloušťka stěny Kp [Pa]... modul objemové pruţnosti materiálu potrubí D [m] ... vnitřní průměr potrubí HY2V


[ms-1]

e  Kp   D

12

VAZKOST Proudící molekuly rychlejší vrstvy molekul musí překonat přitaţlivou sílu přilehlé pomalejší vrstvy (vnitřní tření, vznik odporů). K tomu odebírají energii  energetické ztráty. Ohříváním dodáme kapalině energii  vazkost (viskozita) se s růstem teploty sniţuje.   

y

pro newtonské kapaliny:

du dy

du

 [Pa·s]... dynamická viskozita  [Pa]... tangenciální napětí u [ms-1] ... bodová rychlost

dy u

častěji kinematická viskozita  

HY2V

 [m2.s-1], 


 = f(T)

13

Kinematická viskozita vody =f(T) T [°C]

 [m2.s-1]

T [°C]

106 [m2.s-1]

0

1.7910-6

30

0.8010-6

5

1.5210-6

40

0.6610-6

10

1.3110-6

50

0.5210-6

12

1.2410-6

60

0.4810-6

15

1.1510-6

70

0.4210-6

18

1.0610-6

80

0.3710-6

20

1.0110-6

100

0.2910-6

1.79  10 6  1  0.0337  T  0.000221  T 2 HY2V


14

Kinematická viskozita kapalin  [m2s-1] při T=18 C

HY2V

Kapalina

 [m2.s-1]

T [°C]

106 [m2.s-1]

voda

1.0610-6

nitrobenzén

17.2010-6

benzén

7.6510-6

topný olej

5210-6

benzín

0.6510-6

motorový olej

9410-6

etylalkohol

15.6910-6

rtuť

0.11610-6

glycerín

131410-6

petrolej

2.610-6

chloroform

3.8910-6

aceton

4.2610-6


15

POVRCHOVÉ NAPĚTÍ Molekula je přitahována sousedními molekulami (molekulární kohezní síly). Uprostřed kapaliny působí tyto síly ve všech směrech  výsledný efekt nulový, síly se navzájem vyruší. Hladina – síly působící směrem dolů nejsou vyrovnávány silami působícími vzhůru  molekuly na hladině vtahovány do kapaliny (počet molekul na hladině je co moţná nejmenší, hladina se chová jako by byla pokrytá blánou. Dělící plocha mezi 2 kapalinami – rozdílné přitaţlivé síly mezi rozdílnými molekulami obou kapalin  obdobný efekt. Důsledek povrchového napětí  kapilarita.

HY2V


16

Povrchové napětí   dF  σ  dl



dF [Pa] dl

  f T 

F     dl

kruhová kapilára: F      D, Fz      D  cos    D2 G  ek    g 4

Fz  G 

ek 

4  σ  cos gD

pro  = 0 : ek 

4σ gD

F  2    D  L, Fz  2    D  L  cos  2  σ  cos 2σ G  D  L  ek    g e k  pro  = 0 : ek  gD gD

štěrbina délky L:

HY2V


17

kapaliny smáčivé (voda – sklo)  kapilární elevace

Přitaţlivé síly mezi molekulami kapaliny a molekulami pevného tělesa větší neţ přitaţlivé síly mezi molekulami kapaliny. HY2V

kapaliny nesmáčivé (rtuť – sklo)  kapilární deprese

Přitaţlivé síly mezi molekulami kapaliny jsou větší neţ mezi molekulami pevného tělesa a molekulami kapaliny.


18

Příklady povrchového napětí kapalin Kapalina

 [N m-1]

Kapalina

 [N m-1]

voda

7.3810-2

terpenýn. olej

2.7010-2

aceton

2.3310-2

petrolej

2.7010-2

benzén

2.9010-2

rtuť

49.1010-2

etylaklohol

2.2010-2

tetrachlór

2.5910-2

2 -1  . 10 [Nm ]

povrchové napětí vody 8

7

6

5 0 HY2V

10

20

30

40

50

60

70


80

90

T [°C]

100 19

Fyzikální vlastnosti kapalin

Recommend Documents