SKUPENSKÉ STAVY HMOTY Teze přednášky

SKUPENSKÉ STAVY HMOTY JSOU DÁNY: vzdáleností atomů (molekul) silovými interakcemi energií neuspořádaného pohybu jsou závislé na teplotě a tlaku

PLYNY molekuly představují 1 % objemu kohezní síly se neuplatňují stálý neuspořádaný pohyb to vše brání shlukování nezachovávají tvar a objem vyplňují beze zbytku prostor, který je jim vymezen definovány stavovými veličinami p, V, T, ρ, n

PLYNY ideální plyn zanedbává velikost a interakce molekul (dokonale stlačitelný) stavová rovnice p V = n R T van der Waalsova stavová rovnice reálného plynu (p + n2 a/V2) . (V – n b) = n R T

Daltonův zákon Tlak směsi plynů se rovná součtu parciálních tlaků jeho složek p = ∑pi = p1 + p2 + ……… pn Parciální tlak plynu ve směsi plynů je takový tlak, který by měl plyn, pokud by zaujal daný objem sám.

Děje v plynech z I. termodynamické věty platí Q = ΔU + p ΔV izochorický děj V = k => ΔV = 0 Q = ΔU izobarický děj p = k izotermický děj T = k => ΔU = 0 Q = p ΔV adiabatický děj Q = 0 ΔU = - p ΔV

ROZPOUŠTĚNÍ PLYNŮ V KAPALINÁCH Množství plynu rozpuštěného v kapalině je závislé na parciálním tlaku plynu v plynné fázi nad kapalinou. Tento princip zajišťuje difuzi plynů z plicních alveol do krve.

Henryho zákon Rozpustnost plynů v kapalinách Vp ------ = α . pi Vk Vp objem plynu rozpuštěného v objemu kapaliny Vk α Henryho absorpční koeficient pi parciální tlak plynu α nepřímo úměrně závislý na t

Rychlost difuze plynů dm ------ = -D . S . Δpi dt dm/dt diferenciál hmoty podle času Δpi gradient parciálních tlaků D difuzní koeficient S plocha α . Δpi D = ---------- √ M M molekulová hmotnost α absorpční koeficient DCO ----------- = 20,8 pro krev při 37 oC DO 2 2

CO2 je v krvi 20x rozpustnější než O2 a 46x než N2 O2 98,6 % vázán na hemoglobin 1,4 % fyzikálně rozpuštěn CO2 94 % chemicky vázán HCO3- CO32- 6 % fyzikálně rozpuštěn N2 inertní plyn 100 % fyzikálně rozpuštěn

Evaze kesonová nemoc (nemoc potapěčů) plynová embolie uvolněním bublinek dusíku v krvi

Výšková (horská) nemoc při běžném barometrickém tlaku pi O2 = 21,3 kPa v nadmořské výšce 4 000 m pi O2 = 13,3 kPa hypoxie aklimatizace

KAPALINA Molekuly se prakticky dotýkají vnitřní kohezní síly - disperzní u nepolárních molekul - dipólové u polárních molekul zachovávají objem, nezachovávají tvar – potenciální energie interakcí je větší než kinetická energie neuspořádaného pohybu molekuly konají nepravidelné kmitavé pohyby kolem pozvolna se měnících rovnovážných poloh

KAPALINY Ideální kapalina viskozita = 0 stavová rovnice ρ = konst. Hustota ρ Hydrostatický tlak Hydrostatické paradoxon Pascalův zákon tlak se šíří všemi směry nezávisle na směru působící síly Hydraulický lis S1 . F2 = S2 . F1

Hustota kapalin Pyknometr m ρ = ----- [kg.m-3] V Hustoměr Mohrovy-Westphalovy váhy vztlak – poměr vůči vodě ρ = 1 000 kg.m-3 pro 20 oC

Fázová rozhraní povrchová energie, napětí W F ------ = σ = ----- S l adsorpce – na rozhraní dvou fází se zvyšuje koncentrace částic rozpuštěné látky proti koncentraci v roztoku tenzidy – interakce mezi molekulami rozpouštědla jsou silnější než mezi rozpouštědlem a tenzidem - proti shromažďování na povrchu působí koncentrační gradient - snižují povrchové napětí

HYDRODYNAMIKA Rovnice kontinuity Rovnice Bernoulliho v2>v1 => h2<h1 h2 S1 v1 S2 v2 Rovnice kontinuity S1 . v1 = S2 . v2 Rovnice Bernoulliho h . ρ . g + ½ ρ . v2 = konst. Hydrodynamické paradoxon

výtoková rychlost na hladině v klidu – potenciální i kinetická energie jsou vyrovnány h . ρ . g = ½ ρ . v2 2h . g = v2 v = √ 2 g . h

Viskozita – vnitřní tření kapalin vnitřní kohezní síly vyvolávají mezi vrstvami tečné napětí τ (tau) F Δv τ = ------ = η -------- S Δx Δv gradient rychlosti Δx vzdálenost dvou vrstev η dynamická viskozita [Pa.s] (kcP) η ~ e-K/T K látková konstanta T absolutní teplota

Viskozita – transport hybnosti F . t Transp.vel. = - K . Plocha . Gradient dv F = η . S . ------- dx dv gradient rychlosti dx vzdálenost dvou vrstev η dynamická viskozita [Pa.s] (kcP)

Viskozita suspenze (krve) ηs = η . (1 + k . c) k konstanta charakterizující fyzikální vlastnosti částic c objemová koncentrace částic kinematická viskozita η n = ------ [m2.s-1] ρ

PROUDĚNÍ Průtokový objem Q V π . r4 . Δp t 8 η . Δl mechanický odpor řečiště Δp 8 η . Δl R = -------- = ----------- Q π . r4 síla odporu řečiště F = π . R2 . Δp

DRUHY PROUDĚNÍ LAMINÁRNÍ – vrstvy se pohybují rovnoběžně TURBULENTNÍ – vířivé REYNOLDSOVO ČÍSLO v . ρ . R Re = ----------------- η kritická hodnota pro krev je 1000 R průměr trubice

Tvar čela proudnice ideální kapalina - nulová viskozita – čelo je kolmé na stěnu nádoby reálná kapalina – parabola suspenze - paraboloid částice se drží ve středu proudnice a brzdí čelo

PEVNÁ LÁTKA částice kmitají kolem stálých rovnovážných poloh zachovává tvar i objem geometrická uspořádanost – krystalová mřážka míra pevnosti interakci – teplota tání směrová závislost fyzikálních vlastností - nezávislé IZOTROPNÍ - směrově závislé ANIZOTROPNÍ

PLAZMA extrémní teploty a tlaky elektromagnetické interakce mezi jádrem atomu a elektrony jsou menší než kinetická energie elektronů supravodivost ve vesmíru nejběžnější skupenství

PŘECHODOVÉ STAVY HMOTY tekuté (kapalné) krystaly – intermediární stav mezi kapalinou a pevnou látkou tři fáze podle vlastností částic: - NEMATICKÁ shodná orientace - SMEKTICKÁ orientace + uspořádanost - CHOLESTERICKÁ orientace, uspořádanost, periodicita vrstev

TEKUTÉ KRYSTALY nematická shodná orientace smektická orientace + uspořádanost cholesterická orientace, uspořádanost, periodicita vrstev