SKUPENSKÉ STAVY HMOTY

1. SKUPENSKÉ STAVY HMOTY Teze přednášky

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

3. 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

4. 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

5. 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.

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

7. 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.

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

9. 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

10. 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

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

12. 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

13. 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

14. 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

15. 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

16. 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

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

18. 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

19. 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

20. 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)

21. 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

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

23. 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

24. 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

25. 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

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

27. 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

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