Skupenské stavy
Skupenské stavy látek Všechny látky jsou tvořeny atomy, molekulami nebo ionty, které jsou v neustálém pohybu a které na sebe působí soudržnými silami, závislými na vnějších podmínkách. čtyři skupenské stavy: 1. tuhé 2. kapalné 3. plynné 4. plazma
Skupenské stavy látek Liší se od sebe stupněm uspořádanosti stavebních částic a velikostí sil působících mezi částicemi Velikost soudržných sil neuspořádaný stav Stupeň uspořádanosb uspořádaný stav nízká plyny - střední kapaliny tekuté krystaly vysoká skla, amorfní látky krystalické látky
Plynné skupenství velké vzdálenosti mezi částicemi částice se pohybují rychle a chaoticky prakticky se neuplatnují síly mezi částicemi nereagující plyny tvoří homogenní směs (ideální roztok) snadno stlačitelné plyn vyplní beze zbytku prostor, který má k dispozici
Kapalne skupenstvı částice jsou poměrně blízko sebe přitažlivé síly majíznačnouvelikost přitažlivé síly nebrání pohybu částic malástlačitelnost kapalin malá tepelná roztažnost kapalin kapalina zachovává svůj objem (nedrží tvar) povrchové napětí a viskozita
Pevné skupenství částice blízko sebe velké přitažlivé síly mezičásticemi částice mohouvykonávat jen vibrační pohyb tuhé látky drží tvar a objem nejsou stlačitelné krystalická nebo amorfní struktura
Pevné skupenství Nejdéle běžící experiment (T. Parnell) od roku 1927 jedna kapka = několik let duben 2014 = devátá kapka viskozita asfaltu je 2.3x10 11 větší než vody ignc 2005
Skupenské přeměny DH [kj.mol -1 ] - teplo potřebné k přeměně skupenství skupenské teplo (tání, vypařování, sublimace)
Fa zovy diagram Znázornění rovnovážných stavů mezi jednotlivými skupenskými stavy dané látky K kritický bod (374 C, 22,13M Pa) T trojný bod (0 C, 610 Pa)
Plynné skupenství
Plynné skupenství nezachovává ani tvar ani objem (vyplňuje poskytnutý prostor, gravitace) nemá hladinu (bez povrchové energie) relativně velké vzdálenosti mezičásticemi malývliv kohezních sil relativně snadná stlačitelnost nízká viskozita malá hustota volná translace, rotace a vibrace (rotační a vibrační spektra)
Plynné skupenství Jednoduše vyjadřitelné vztahy mezitlakem, objemem a teplotou Ideální plyn nezkapalnitelný, nulový objem při nulové teplotě nulový objem částic (zanedbatelný oproti celkovému objemu plynu) zanedbání mezimolekulových sil ideální srážky bez vzájemných interakcí částic dokonale pružné nárazy na stěnu nádoby částice mají pouze kinetickou energii
Ideální plyn Boyleův-Mario-ův zákon izotermický děj Gay-Lussacův zákon izobarický děj Charlesův zákon izochorický děj Avogadrův zákon objem plynu vs. látkové množství
Ideální plyn Boyleův-Mariottův zákon izotermy T 1 > T 2 > T 3 p.v = konst. p 1.V 1 = p 2.V 2 izotermický děj T 3 T 1 Gay-Lussacův zákon V T = konst. V 1 = T 1 V T 2 2 izobarický děj p 2 p 1 p 1 < p 2 izobary
Idea lnı plyn Charlesůvzákon zákon p = konst. T p 1 p = 2 T T 1 2 izochorický děj V 1 V 1 < V 2 izochory V 2
Ideální plyn Avogadrův zákon Stejné objemy plynů, které mají stejnou teplotu a tlak, obsahují stejný počet molekul. V = konst.n Všechny výše uvedené zákony jsou zcela pravdivé pouze v případě, že p=0. Jsou však zárověň dostatečně věrohodné i za normálního tlaku.
Ideální plyn Výše uvedené zákony lze spojit: pv T = konst. p1v1 p2v = T1 T2 Vztažením rovnice na 1 mol (objem V m ) stavová rovnice ideálního plynu pv = nrt R = p V T pv m R T = pv = RT m R molární plynová konstanta -3 3-1 0 m 3-1 -1 = @ 8,31Pa.m.K.mol 0 101325 Pa. 22,4.10 273,15K m.mol Standardní teplota (273, 15 K) a tlak (101,325 kpa) 2
Ideální plyn Stavová rovnice pla/ i pro směsi vzájemně nereagujících plynů (A, B, C ) P.V S = (n A + n B + n C + )R.T V s je objem plynné směsi a P je celkový tlak soustavy P = (n A + n B + n C +...)RT V S = n A RT V S + n B RT V S + n C RT V S +... Z rovnice plyne Daltonův zákon celkový tlak plynné směsi je dán součtem parciálních tlaků všech jejich složek. P = p A + p B +...+ p n = S p x
Ideální plyn Parciální tlak složky plynné směsi je tlak, který by tato složka měla, kdyby sama vyplňovala celý objem směsi. p = A n Porovnáme-li parciální tlak některé ze složek s tlakem celkovým: p B P = (n A S Zjistíme, že je přímo úměrný molárnímu (objemovému) zlomku plynné složky ve směsi A.R.T V n RT B VS = + n + n +...)RT B C V p B = x B. P p B = j B. P S n A + n B n B + n C = +... X B
Potápění při volbě směsi nesmí být kyslíku moc jinak hrozí otrava akutní otrava křeče připomínající epilep<cký zachvat nejhlubší ponor 675 m (komprese 13 dní, na dně 3 dny (0,56 % kyslíku, 71.27 % helia, 28,17 % vodíku), dekomprese 23 dní)
Ideální plyn Kinetická teorie plynu nejjednodušší příklad vztahu mezi makroskopickými (bulk) a mikroskopickými vlastnostmi model ideálního plynu molekuly jsou hmotné body zanedbatelné velikosti, které jsou v neustálém chaotickém pohybu a nepůsobí na sebe jinými silami než při srážkách se sousedními molekulami rozdílné rychlosti mají za následek jejich různé kinetické energie
Ideální plyn Kinetická teorie plynu: Teplota plynu kinetická energie molekul plynu distribuce rychlostí (Maxwellovo rozdělení) střední aritmetická rychlost molekul (aritmetický průměr) nejpravděpodobnější rychlost - v p (nejpočetněji zastoupená) střední kvadratická rychlost molekul - v rms (vypočtenáze střední hodnoty kinetické energie)
Ideální plyn Kinetická teorie plynu: Tlak plynu kinetická energie molekul plynu nárazy na stěny tepelný pohyb částic tlak úměrný hustotě molekul fluktuace tlaku fluktuace čestnosti nárazů, distribuce rychlostí molekul v je střední kvadratická rychlost, m je hmotnost, N je pocet molekul
Ideální plyn Ekvipar(ční princip Ve vzorku plynu o teplotě T mají všechny kvadra(cké příspěvky k celkové energii molekuly stejnou střední hodnotu (1/2)kT kvadra(cký příspěvek zavisí na druhé mocnině polohy nebo rychlos( jednoatomový plyn
Počasí lokální změny tlaku, teploty a složení troposféry udávají počasí horizontální rozdíly tlaku způsobují proudění vzduchu (vítr) pohyb vzduchu nahromadění jeho molekul (oblasti s vyšším tlakem - tlakové výše, anticyklony) a nebo snižení množství jeho molekul (oblasti s nižším tlakem, cyklony) konstantní tlak izobary, hřeben vysokého tlakua brázda nízkého tlaku
Reálné plyny Skutečné plyny se zákony ideálního modelu řídí jen přibližně. Nelze zanedbat rozměry molekul, ani silové působení mezi nimi. odpudivé síly (krátkého dosahu) mezimolekulamivyvolávají expanzi vysoké tlaky a malý objem přitažlivé síly (relativně dlouhý dosah) vyvolávají kompresi molekuly blízko sebe za nízkých tlaků velký objem, molekuly dostatečně vzdáleny (plyn se prakticky chová ideálně) při středních tlacích přitažlivé síly převládají a napomáhají přibližování molekul (plyn více stlačitelný) za vysokých tlaků odpudivé síly převládají (menší stlačitelnost)
Reálný plyn Kompresibilní faktor Z poměr skutečného (změřeného) molárního objemu plynu a molárníhoobjemuideálního plynu pv m =ZRT kde V m =V/n Viriálová stavová rovnice druhý, třetí viriálový koeficient koeficienty zavisí na teplotě z měření stavového chování
Reálný plyn Kompresibilní faktor Boyleova teplota teplota, při které za nizkých tlaků nebo velkých molárních objemů pla@ Z 1
Reálný plyn Míra odchylek od ideálního chování je shrnuta v kompresibilním faktoru Viriálová rovnice je empirické rozšíření rovnice ideálního plynu pomocí izoterm reálných plynů lze charakterizovat pojmy tlak par a kritické chování plyn může být zkapalněn zvyšováním tlaku pouze tehdy, je-li jeho teplota rovna kritické nebo menší
Kondenzace podobnost s chováním idel. plynu mizí pokud ke zkapalnění dojde za T c nedojde k vytvoření fázového rozhraní veličiny odpovídající krieckému bodu kriecké veličiny (V c, p c, T c ) zcela zkapalněný plyn tlak par (tlak nasycených par) zmenšeníobjemu nevede ke zvýšení tlaku zřetelné rozhraní mezi dvěma fázemi plyn kondenzuje
Kondenzace
Kondenzace Kritická teplota Představuje mezní hodnotu teploty, nad níž nelze plyn žádnými postupy zkapalnit Oxid uhličitý 31 ᴼC (1823 M. Faraday a H. Davy) Kaskádová metoda teplota se postupně snižuje tím, že se ve vakuu vypařuje zkapalněný plyn, čímž se docílí snížení teploty. Při této teplotě se zkapalní plyn, který má nižší kritickou teplotu (zkapalnění etylenu, kyslíku, dusíku, vodíku) 4 He (1908 HK Onnes) pomocí Joule-Thomsonova jevu při teplotě 4,2 K
Kondenzace Joule-Thomsonův jev Při adiabatické expanzi do vakua přes pórovitou překážku mění teplota plynu Pro každý plyn a daný tlak existuje inverzní teplota (nad touto teplotou se plyn zahřívá a pod ní ochlazuje, vodík ~80 ᴼC) Expanduje-li přes překážku plyn s teplotou nižší než inverzní, dále se ochlazuje (a naopak)
Kondenzace Joule-Thomsonův jev Vnitřní E reálného plynu závisí na teplotě a objemu plynu Tlak p 1 je větší než p 2 způsobí protlačení přes škrtící zátku (ryclost proudění je malá). Při ustáleném proudění má plyn při expanzi přes zátku na obou stranách zátky různé teploty hlps://edu.techmania.cz/cs/encyklopedie/fyzika/plyny/joule-thomsonuv-jev
Zkapalněný plyn Chladírenská technika Zdroje technických plynů (dusík, kyslík, amoniak) Zkapalnění plynných produktů tepelného štěpení ropy (methan, etylén, propan,... ) používaných jako palivo nebo surovina při výrobě plastických materiálů Kapalný vodík a kyslík jako palivo raketových motorů Zkapalněný vodík a helium umožnilo přiblížit se teplotám blízkým absolutní nule
Chlazení Dosažení teploty 0.07 K pomocí 5 miliontin atmosférického tlaku (Keason) Dosažení teploty 0.0047 K pomocí adiabatická demagnetizace paramagnetických solí Adiabatická demagnetizace paramagnetických solí Debey navrhl použít přechlazenou paramagnetickou sůl. Ta po zmagnetování v magnetickém poli o intenzitě několik stovek Am -1 a následném prudkém odmagnetizování přemění uspořádání částic, čímž dojde k ochlazení látky.
Chlazení Jaderná demagnetizace (1933/34 Gorter, Kurti a Simon) Dosažení 0.2 mk (1968) s využitím jaderných spinů Refrigerátor (1965, Neganova Hall) Teploty řádově milikelvinů a submilikelvinu Činnost podobná činnosti ledničky
Zkapalněný plyn Zkapalněný zemní plyn (LNG) se v přírodě prak:cky nevyskytuje. Zkapalnění se provádí ještě před plněním do tankerů zchlazením na -162 až -169 ᴼC (objem se sníží až 600x) https://www.sick.com/cz/cs/odvetvi/ropa-a-plyn/midstream/zkapalneni-zemniho-plynu/c/g466553
Reálný plyn Van der Waalsova stavová rovnice æ ç è 2 n a V p + 2 ö.(v- nb) = ø nrt a, b... korekční veličiny pro daný plyn konstantní pro různé plyny různé korekce na vlastní objem molekul odpudivé síly korekce na mezimolekulární síly (tzv. kohezní tlak) - přitažlivé síly Popisuje chování reálných plynů včetně jejich chování v kritické oblasti. Vlastnosti reálných plynů lze obecně vystihnout tak, že se jejich stav. rovnice vyjádří pomocí redukovaných veličin.
Teorém korespondujících stavů Mají-li dvě látky, ať už v plynném nebo kapalném stavu, stejnou redukovanou teplotu a redukovaný tlak, mají i stejný redukovaný objem. Mají-li látky stejnou redukovanou teplotu a redukovaný tlak (nebo redukovanou teplotu a redukovaný objem), mají i stejný kompresibilní faktor. Dobře funguje jen pro příbuzné látky