Transportní jevy v plynech Reálné plyny Fázové přechody Kapaliny

Transkript

1 Transportní jevy v plynech Reálné plyny Fázové přechody Kapaliny

2 Hustota toku Zatím jsme studovali pouze soustavy, které byly v rovnovážném stavu není-li soustava v silovém poli, je hustota částic stejná a pohyb chaotický U soustavy v nerovnovážném stavu jsou hodnoty některých veličin funkcí polohy. Ponechá-li se soustava po tomto zásahu samovolnému vývoji, bude přecházet do rovnovážného stavu, ve kterém je entropie soustavy největší. Pokud odchylky od rovnovážného stavu nejsou příliš velké, lze předpokládat, že hustota toku veličiny A je úměrná jejímu gradientu

3 Srážková frekvence, střední volná dráha Transportní jev bude probíhat tím rychleji, čím intenzivnější bude tepelný pohyb molekul, nebude ale probíhat rychlostí srovnatelnou se střední rychlostí molekul příčinou je existence vzájemných srážek molekul Počet srážek za jednotku času udává tzv. srážková frekvence Střední volná dráha

4 Srážkový (účinný) průřez Podle předchozího vztahu není střední volná dráha závislá na teplotě Ve skutečnosti se molekula při srážce deformuje Přesnější úvahy ukazují, že účinný průřez závisí na střední rychlosti, a tím i na teplotě T. Tato závislost účinného průřezu se často vyjadřuje Sutherlandovým vzorcem

5 Difúze

6 Difúze

7 Transportní jevy v plynech Difúze je jev, při kterém samovolně přecházejí (difundují) z prostředí s vyšší koncentrací do prostředí s nižší koncentrací částic

8 Transportní jevy v plynech Viskozita plynů o viskozitě jsme se již zmiňovali v předchozích přednáškách

9 Reálné plyny Zatím jsme se setkali pouze se stavovou rovnicí ideálního plynu Tato rovnice ovšem dobře platí pouze pro zředěné plyny J. D. van der Waals ( ) se zabýval zpřesněním stavové rovnice ideálního plynu (1873)

10 Reálné plyny Berthelotova rovnice (1900) Redlichova-Kwongova rovnice (1948)

11 Fázové přechody Jedná se o změnu makroskopických vlastností termodynamického systému při změně některé termodynamické veličiny (např. teploty T) Při fázovém přechodu se vždy náhle mění některá makroskopická vlastnost látky, např. hustota Při stálých podmínkách mohou současně existovat dvě fáze v tom případě mezi nimi je tzv. fázové rozhraní (např. led taje pouze na povrchu) nebo dokonce tři (tzv. trojný bod). Mezi příklady fázových přechodů patří tzv. skupenské fázové přechody Tuhnutí a tání Vypařování a kondenzace Sublimace a desublimace

12 Fázový diagram

13 Fázový diagram 1. Plynná fáze 2. Kapalina 3. Pevná fáze

14 Clausiova-Clapeyronova rovnice Jedná se o vztah, který vyjadřuje, jak se změní tlak, když se změní teplota, při které se uskutečňuje změna skupenství L je skupenské teplo, které je třeba soustavě dodat nebo odebrat

15 Skupenská tepla K vyvolání přechodu složky z jedné fáze do jiné je zapotřebí dodat látce (nebo naopak látce odebrat) určité množství tepla Toto množství tepla, které je nutné přidat nebo odebrat látce se nazývá skupenské teplo Množství tepla, které je nutné přidat či odebrat 1 kilogramu látky se nazývá měrné skupenské teplo Skupenské teplo Tání a varu Vypařování a kondenzace sublimace

16 Skupenská tepla

17 Struktura kapalin Kapaliny, látky kapalného skupenství, tvoří přechod mezi látkami skupenství pevného a plynného Skládají se z molekul, které jsou v neustálém a neuspořádaném pohybu. O tomto tepelném pohybu svědčí jevy, jako je např. difúze kapalin nebo Brownův pohyb Ukazuje se však, že tepelný pohyb molekul kapaliny se značně liší od tepelného pohybu částic plynu v důsledku poměrně složité struktury kapaliny.

18 Transportní jevy v kapalinách Transportní jevy v kapalinách se zkoumají analogicky jako u plynů Difúze mechanismus difúze je shodný s plyny, probíhá ale pomaleji Vnitřní tření krátkodosahové uspořádání molekul je příčinou toho, že mechanismus vnitřního tření v kapalinách je odlišný od mechanismu vnitřního tření v plynech Tepelná vodivost vedení tepla je obvykle doprovázeno prouděním (konvekcí).

19 Vlastnosti povrchové vrstvy kapaliny V kapalině jsou molekuly v mnohem menších vzájemných vzdálenostech než v plynu Vzájemné síly, kterými na sebe molekuly působí jsou velké a způsobují tzv. kohezní tlak (viz van der Waalsova rovnice) S kohezním tlakem v kapalinách jsou úzce spjaty veličiny povrchové energie, povrchová síla a povrchové napětí

20 Kapaliny Povrchové napětí je definováno jako síla vztažená na jednotku délky myšleného řezu povrchem kapaliny Povrchová energie je tím větší, čím větší je obsah volného povrchu kapaliny Rovnovážný stav odpovídá minimu potenciální energie

21 Povrchové napětí - příklady

22 Jevy na rozhraní tří prostředí Kapka kapaliny na pevném povrchu může zaujmout různý tvar na základě povrchového napětí kapaliny ve styku se vzduchem danou kohezními silami povrchového napětí mezi kapalinou a tuhou látkou danou adhezivními silami povrchovým napětím pevné látky ve styku se vzduchem

23 Kapalina v nádobě Také kapalina v nádobě může zaujmout u stěny různý tvar Pak se u vnitřní stěny nádoby stýkají tři výše uvažované prostředí: stěna z pevné látky (1), kapalina (2) a vzduch (3)

24 Smáčivost V případě, že vychází krajní (stykový) úhel ostrý, říkáme, že kapalina smáčí stěnu V opačném případě stěnu nesmáčí V praxi je potřebačasto najít látku, která by smáčivost upravila a tím pádem změnila hodnotu povrchového napětí Mluvíme pak o povrchově aktivních látkách Další možností jsou například pak mechanické povrchové úpravy, např. použitím plazmatu, atd.

25 Kapilární jevy Ponoříme-li úzkou trubici malého vnitřního průměru do širší nádoby, pozorujeme zakřivení povrchu kapaliny v trubici Kapilární elevace dutý vrchlík, který je výše, než hladina v nádobě Kapilární deprese vypuklý vrchlík, který je níž, než hladina okolní kapaliny

26 Kapilární jevy Pro tzv. elevační výšku je možné odvodit vztah Pro kapaliny, které dobře smáčejí povrch trubice, je možné předchozí vztah přepsat na tvar

27 Existence kapilárních jevů Je velice důležitá v přírodě Například vzlínání vody půdou, dále v rostlinách, stromech Nasávání vosku do knotu