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 Fyzikální vlastnosti kapalin 2
VODA nejběţnější kapalina; chemicky oxid vodíku, H 2 O 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 + O 2-105 0,096 nm H + + H + H O - + H 0,276 nm - O H + 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 Fyzikální vlastnosti kapalin 3
SKUPENSTVÍ 3 skupenství pevné (fáze): kapalné plynné p p t pevná fáze T T t kapalná fáze plynná fáze t přechod z fáze: pevné kapalné : tání kapalné pevné: tuhnutí pevné plynné: sublimace plynné pevné: desublimace kapalné plynné: výpar plynné kapalné: kondenzace trojný bod - - všechny fáze v rovnováze (voda: T t =273,16 K = 0,01 C, p t = 612 Pa) HY2V Fyzikální vlastnosti kapalin 4
SKUPENSTVÍ 3 skupenství pevné (fáze): kapalné plynné rovnováha kapalné a plynné fáze - při dané teplotě vnější tlak roven tlaku nasycených par p p t pevná fáze T kapalná fáze kritický stav (bod) - mezi oběma fázemi mizí rozdíl (voda T krit = 374.2 C, p krit = 2.21 10 7 Pa) T t plynná fáze t var - (stoupající bubliny páry v celém objemu kapaliny); T varu = f(p) (voda při p a =1013.23 hpa - T varu =100 C) HY2V Fyzikální vlastnosti kapalin 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 p t pevná fáze T kapalná fáze plynná fáze T t t HY2V Fyzikální vlastnosti kapalin 6
Tlak nasycených par v závislosti na teplotě HY2V Fyzikální vlastnosti kapalin 7
HUSTOTA KAPALIN hustota kapaliny m ρ V [kgm -3 ] Závisí na druhu kapaliny. Hustoty různých kapalin při T=18 C a p=10 5 Pa Kapalina [kgm -3 ] kapalina [kgm -3 ] Aceton 791 transformátorový olej 866 Benzín 700-750 petrolej 760-860 Etylalkohol 790 rtuť 13551 Glycerin 1260 tetrachlor 1590 chloroform 1489 voda 998,6 teplotní roztaţnost kapalin hustota závisí na teplotě HY2V Fyzikální vlastnosti kapalin 8
[kg m -3 ] [kg m -3 ] 1010 1000 990 980 970 960 hustota čisté vody 950-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 teplota T [C] rozpuštěné látky větší hustota mořská voda ca +0.8 kgm -3 pro +1 salinity např. pro salinitu 35 (Atlantik, Středozemní moře) =1028 kgm -3 13700 13650 13600 13550 13500 13450 13400 13350 voda - teplotní anomálie: max =999.97 kgm -3 při T=3.98 C (p=1013.23 hpa) hustota rtuti 13300-20 0 20 40 60 80 100 teplota T [ C] HY2V Fyzikální vlastnosti kapalin 9
TEPLOTNÍ ROZTAŢNOST dv β V 0 dt dv [m 3 ]... změna objemu [ C -1 ]... součinitel roztaţnosti β f p,t V 0 [m 3 ]... počáteční objem dt [ C]... změna (gradient) teploty Řešení reálných případů : dv V, dt t ΔV β V 0 ΔT Výsledný objem : V 0 V0 ΔV V 1 β ΔT pro vodu při atmosférickém tlaku:. 10 4 [ C -1 ] 8 7 6 5 4 3 2 1 0-1 součinitel roztaţnosti vody 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 T [ C] HY2V Fyzikální vlastnosti kapalin 10
dv V0 dp STLAČITELNOST dv [m 3 ]... změna objemu [m 2 N -1 ]... součinitel objemové stlačitelnosti V 0 [m 3 ]... počáteční objem dp [Pa]... přírůstek tlaku K 1 [Pa]... modul objemové pruţnosti Řešení reálných případů : dvv, dp p ΔV V p [MPa] Výsledný objem : pro vodu K=f(p,T) V V0 ΔV V0 T [C] 1 Δp K 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 Fyzikální vlastnosti kapalin 11 0 Δp
ŠÍŘENÍ TLAKOVÉHO VZRUCHU tlakový vzruch malé intenzity se šíří rychlostí zvuku 1 K v neomezeném prostředí c [ms -1 0 ] ρ ρ 2 pro vodu (empirický vztah) c 1410 4.2 T 0.036 [ms -1 ] 0 T v omezeném prostředí (kanály, potrubí) c 1 ρ pro přímé kruhové potrubí s homogenní tenkou stěnou e [m]... tloušťka stěny K p [Pa]... modul objemové pruţnosti materiálu potrubí D [m]... vnitřní průměr potrubí e K D p HY2V Fyzikální vlastnosti kapalin 12
[Pa s]... dynamická viskozita [Pa]... tangenciální napětí u [ms -1 ]... bodová rychlost 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. du dy pro newtonské kapaliny: y častěji kinematická viskozita [m 2.s -1 ], = f(t) du u dy HY2V Fyzikální vlastnosti kapalin 13
Kinematická viskozita vody =f(t) T [ C] [m 2.s -1 ] T [ C] 10 6 [m 2.s -1 ] 0 1.7910-6 30 0.8010-6 5 1.5210-6 40 0.6610-6 10 1.3110-6 50 0.5210-6 12 1.2410-6 60 0.4810-6 15 1.1510-6 70 0.4210-6 18 1.0610-6 80 0.3710-6 20 1.0110-6 100 0.2910-6 1 6 1.79 10 0.0337 T 0.000221 T 2 HY2V Fyzikální vlastnosti kapalin 14
Kinematická viskozita kapalin [m 2 s -1 ] při T=18 C Kapalina [m 2.s -1 ] T [ C] 10 6 [m 2.s -1 ] voda 1.0610-6 nitrobenzén 17.2010-6 benzén 7.6510-6 topný olej 5210-6 benzín 0.6510-6 motorový olej 9410-6 etylalkohol 15.6910-6 rtuť 0.11610-6 glycerín 131410-6 petrolej 2.610-6 chloroform 3.8910-6 aceton 4.2610-6 HY2V Fyzikální vlastnosti kapalin 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 Fyzikální vlastnosti kapalin 16
Povrchové napětí df dl [Pa] ft df σ dl F dl kruhová kapilára: F D, F z D cos G F z D 4 2 e G k g e k 4 σ cos g D pro = 0 : e k 4 σ g D štěrbina délky L: F 2 DL, F 2 σ cos G D L ek g e k g D 2 DL cos HY2V Fyzikální vlastnosti kapalin 17 z pro = 0 : e k 2 σ g D
kapaliny smáčivé (voda sklo) kapilární elevace kapaliny nesmáčivé (rtuť sklo) kapilární deprese Přitaţlivé síly mezi molekulami kapaliny a molekulami pevného tělesa větší neţ přitaţlivé síly mezi molekulami kapaliny. Přitaţlivé síly mezi molekulami kapaliny jsou větší neţ mezi molekulami pevného tělesa a molekulami kapaliny. HY2V Fyzikální vlastnosti kapalin 18
Příklady povrchového napětí kapalin Kapalina [N m -1 ] Kapalina [N m -1 ] voda 7.3810-2 terpenýn. olej 2.7010-2 aceton 2.3310-2 petrolej 2.7010-2 benzén 2.9010-2 rtuť 49.1010-2 etylaklohol 2.2010-2 tetrachlór 2.5910-2 8 povrchové napětí vody. 10 2 [Nm -1 ] 7 6 5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 T [ C] HY2V Fyzikální vlastnosti kapalin 19