předmět hy2v k141 fsv...
TRANSCRIPT
Fyzikální vlastnosti kapalin
Fakulta stavební ČVUT v Praze
Katedra hydrauliky a hydrologie
Předmět HY2V
K141 FSv ČVUT
Doc. Ing. Aleš Havlík, CSc., Ing. Tomáš Picek PhD.
K141 HYA2 Fyzikální vlastnosti kapalin 1
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 níž se nemísí) nebo s
plynem pevně definované rozhraní (hladina), téměř
nestlačitelné
Vzdušiny (plyny a páry) - za normálních podmínek plynné
skupenství, zaujmou vždy celý objem který mají k disposici,
velmi stlačitelné
K141 HYA2 Fyzikální vlastnosti kapalin 2
VODA
• nejběžnější 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:
• 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.
O2-
H+
H+
105
0,096 nm
H
H
H
H
O O - +
+
+
+
-
0,276 nm
K141 HYA2 Fyzikální vlastnosti kapalin 3
SKUPENSTVÍ
3 skupenství pevné
(fáze): kapalné
plynné
trojný bod -
- všechny fáze v rovnováze
(voda: Tt=273,16 K = 0,01 C,
pt = 612 Pa)
p
t
pevná
fáze
kapalná
fáze
plynná
fáze
T
Tt
pt
přechod z fáze:
pevné kapalné : tání
kapalné pevné: tuhnutí
pevné plynné: sublimace
plynné pevné: desublimace
kapalné plynné: výpar
plynné kapalné: kondenzace
K141 HYA2 Fyzikální vlastnosti kapalin 4
SKUPENSTVÍ
3 skupenství pevné
(fáze): kapalné
plynné
p
t
pevná
fáze
kapalná
fáze
plynná
fáze
T
Tt
pt
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
- Tvaru=100 C)
K141 HYA2 Fyzikální vlastnosti kapalin 5
Pokles tlaku
až možnost varu při normální teplotě tvorba bublin plynů a páry
při vzrůstu tlaku imploze bublin
prudký lokální nárůst tlaku (až řádu 100 MPa), el. výboje, ...
kavitace mechanická a elektrochemická koroze materiálu,
hluk, vibrace
p
t
pevná
fáze
kapalná
fáze
plynná
fáze
T
Tt
pt
K141 HYA2 Fyzikální vlastnosti kapalin 6
Tlak nasycených par v závislosti na teplotě
K141 HYA2 Fyzikální vlastnosti kapalin 7
HUSTOTA KAPALIN
hustota kapaliny [kgm-3]
Závisí na druhu kapaliny.
Hustoty různých kapalin při T=18 C a p=105 Pa
teplotní roztažnost kapalin hustota závisí na teplotě
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
V
mρ
K141 HYA2 Fyzikální vlastnosti kapalin 8
hustota rtuti
13300
13350
13400
13450
13500
13550
13600
13650
13700
-20 0 20 40 60 80 100
teplota T [°C]
[
kg
·m-3
]
hustota čisté vody
950
960
970
980
990
1000
1010
-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
teplota T [ C]
[
kg
·m-3
]
rozpuštěné látky
větší hustota
mořská voda ca +0.8 kgm-3
pro +1‰ salinity
např. pro salinitu 35 ‰
(Atlantik, Středozemní moře)
=1028 kgm-3
voda - teplotní anomálie:
max=999.97 kgm-3
při T=3.98 C
(p=1013.23 hPa)
K141 HYA2 Fyzikální vlastnosti kapalin 9
dV [m3] ... změna objemu
[°C-1] ... součinitel roztažnosti
V0 [m3] ... počáteční objem
dT [°C] ... změna (gradient) teploty
ΔTVβΔV 0
Tp,fβ
ΔTβ1VΔVVV 00
TEPLOTNÍ ROZTAŽNOST
dTVβdV 0
pro vodu při
atmosférickém tlaku:
součinitel roztažnosti vody
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 T [ °C ]
. 1
0 4
[ °C
-1 ]
Řešení reálných případů : dV→V, dt →t
Výsledný objem :
K141 HYA2 Fyzikální vlastnosti kapalin 10
STLAČITELNOST
dV [m3] ... změna objemu
[m2N-1] ... součinitel objemové stlačitelnosti
V0 [m3] ... počáteční objem
dp [Pa] ... přírůstek tlaku
pVdV 0 d
1K
K
Δp1VΔVVV 00
[Pa] ... modul objemové pružnosti
Výsledný objem :
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
pro vodu K=f(p,T)
Řešení reálných případů : dVV, dp p ΔpVΔV 0
K141 HYA2 Fyzikální vlastnosti kapalin 11
tlakový vzruch malé intenzity se šíří rychlostí zvuku
v neomezeném prostředí [ms-1]
pro vodu (empirický vztah) [ms-1]
v omezeném prostředí (kanály, potrubí)
pro přímé kruhové potrubí s homogenní tenkou stěnou
e [m]... tloušťka stěny
Kp [Pa]... modul objemové pružnosti materiálu potrubí
D [m] ... vnitřní průměr potrubí
D
Ke p
ρ
K
ρ
1c0
20 T0.036T4.21410c
ŠÍŘENÍ TLAKOVÉHO VZRUCHU
ρ1
c
K141 HYA2 Fyzikální vlastnosti kapalin 12
pro newtonské kapaliny:
[Pa·s]... dynamická viskozita
[Pa]... tangenciální napětí
u [ms-1] ... bodová rychlost
častěji kinematická viskozita [m2.s-1], = f(T)
dy
du
VAZKOST
y
dy
du
u
Proudící molekuly rychlejší vrstvy molekul musí překonat přitažlivou
sílu přilehlé pomalejší vrstvy (vnitřní tření, vznik odporů).
K tomu odebírají energii energetické ztráty.
Ohříváním dodáme kapalině energii vazkost (viskozita) se s růstem
teploty snižuje.
K141 HYA2 Fyzikální vlastnosti kapalin 13
Kinematická viskozita vody =f(T)
T [°C] [m2.s-1] T [°C] 106 [m2.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
2
6
T000221.0T0337.01
1079.1
K141 HYA2 Fyzikální vlastnosti kapalin 14
Kinematická viskozita kapalin [m2s-1] při T=18 C
Kapalina [m2.s-1] T [°C] 106 [m2.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
K141 HYA2 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
možná nejmenší, hladina se chová jako by byla pokrytá
blánou.
Dělící plocha mezi 2 kapalinami – rozdílné přitažlivé síly
mezi rozdílnými molekulami obou kapalin obdobný
efekt.
Důsledek povrchového napětí kapilarita.
K141 HYA2 Fyzikální vlastnosti kapalin 16
Tf
Dg
cosσ4ek
Povrchové napětí [N.m-1]
dlFldσdF
kruhová kapilára:
cosDF,DF z
ge4
DG k
2
GFz
štěrbina délky L: cosLF,LFz
22
geLDG k Dg
cosσ2ek
dl
dF
Dg
σ4ek
pro = 0 :
pro = 0 : Dg
σ2ek
K141 HYA2 Fyzikální vlastnosti kapalin 17
kapaliny nesmáčivé
(rtuť – sklo)
kapilární deprese
kapaliny smáčivé
(voda – sklo)
kapilární elevace
Přitažlivé síly mezi molekulami
kapaliny a molekulami pevného
tělesa větší než přitažlivé síly mezi
molekulami kapaliny.
Přitažlivé síly mezi molekulami
kapaliny jsou větší než mezi
molekulami pevného tělesa a
molekulami kapaliny.
K141 HYA2 Fyzikální vlastnosti kapalin 18
Příklady povrchového napětí kapalin
povrchové napětí vody
5
6
7
8
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100T [°C]
. 1
02 [
Nm
-1]
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