Předmět HY2V K141 FSv ČVUThydraulika.fsv.cvut.cz/Hydraulika/Hydraulika/Predmety/HY2V/ke_stazeni/... · hustota čisté vody 950 960 970 980 990 1000 1010 -10 0 10 20 30 40 50 60

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


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


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


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)


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


Tlak nasycených par v závislosti na teplotě


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


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)


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 :


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


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


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.


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


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


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.


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


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.


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

Předmět HY2V K141 FSv ČVUThydraulika.fsv.cvut.cz/Hydraulika/Hydraulika/Predmety/HY2V/ke_stazeni/... · hustota čisté vody 950 960 970 980 990 1000 1010 -10 0 10 20 30 40 50 60

Documents