Struktura, vlastnosti a změny skupenství pevných látek

Struktura, vlastnosti a změny skupenství pevných látek

Pevné látky

 a) krystalické - pravidelné uspořádání stavebních částic

monokrystaly - mají pravidelné uspořádání v celém krystalu

(NaCl, CaCO3, SiO2)

 

polykrystaly – obsahují nahodile uspořádaná zrna, která jsou uvnitř pravidelně uspořádána. (zemina, prach, kovy), jsou izotropní

 

b) amorfní - beztvaré (asfalt, vosk, sklo, kaučuk)

 polymery - bílkoviny, org. původ

 

izotropie- ve všech směrech má látka stejné vlastnosti (polykrystalické látky)

anizotropie - nejsou stejné vlastnosti (monokrystalické látky)

 

 geometrická mřížka - soustava rovnoběžek v prostoru, rozdělí krystal na soustavu rovnoběžnostěnů

ideální geometrická mřížka je mřížka pravidelně obsazená částicemi

 - podle tvarů rovnoběžnostěnů rozlišujeme tzv. krystalografické soustavy - soustava krychlová (kubická) - elementární (základní) buňka je krychle

krystograficke soustavy

1) primární 2) plošně centrovaná 3) prostorově centrovaná

Vrcholy                 středy stran              střed krychle

-          Částice kmitají kolem bodů kryst. mřížky.

 

mřížkový parametr a- délka hrany krychle

 

Poruchy (defekty) krystalové mřížky

 - v reálném krystalu existuje mnoho poruch od pravidelného uspořádání částicporuchy krystalove mrizky

 

a) vakance - vzniká neobsazením rovnovážné polohy kryst. mřížky

    příčina- tepelný kmitavý pohyb částic -> částice opustí své místo a vzniká neobsazené místo

  dostaneme ozářením krystalu - elektrony, neutrony, ionty

 

b) intersticiální poloha - částice se nachází mimo pravidelný bod krystalické mřížky (v mezeře - )

 

c) příměsy (nečistota)

 - cizí částice se vyskytuje v krystalu daného chem. složení

 - nachází se buď v intersticiální poloze (podle počtu částic C v Fe dostaneme různé druhy oceli) nebo nahrazuje vlastní částici mřížky (polovodiče typu P nebo N – příměsi do struktury křemíku)

 

Typy vazeb

Síly které působí mezi částicemi v krystalické mřížce:

1.    Iontová – mřížku drží pohromadě elektrické přitažlivé síly mezi kationty a anionty

2.    Kovová – odpudivé elektrické síly kationtů kovu nepustí atomy na novou polohu, elektrony tvoří elektronový plyn mezi kationty – jsou volné

3.    Kovalentní – je to chemická vazba mezi atomy, kdy atomy mají společné valenční elektrony; je u izolantů nebo polovodičů (Si, Ge)

4.    Molekulová – síly mezi molekulami – je velmi slabá

 

Deformace pevného tělesa

 

 tvárná (plastická) - přestaneme-li působit silou, deformace zůstává

 pružná (elastická) - vrací se do původního tvaru, je dočasná

 

deformace tělesa = změna tvaru, objemu i rozměrů působením vnější síly

 

a) deformace tahemdeformace tahem

 

F = -F

 - roztahování - výtah jeřáb

 

b) deformace tlakem deformace tlakem

F = -F

 - stlačování - pilíře, nosníky

 

c) deformace ohybemdeformace ohybem

F - síla, působící vahou toho tělesa

 

 - horní vrstva se deformuje tlakem

 - spodní vrstva se deformuje tlakem

 - prostřední část zůstává nezměněna

 

d) deformace smykemdeformace smykem

 - posunutí vrstev, vzdálenost vrstev se nemění (šroub, nýt)

 

e) deformace kroucením - obsahuje 2 soustavy sil, vrták při vrtání, šrouby při utahovánídeformace kroucenim

 

Síla pružnosti, normálové napětí

 - tahové síly vyvolávající sílu F

 - při deformaci nastává tzv. stav napjatosti, který je charakterizován normálovým napětím - Sigma n [Pa]

 

   síla pružnosti, která působí na příčný řez o obsahu S/ obsah plochy (v tab u Hoodova zákona na konci F / S)

 

(Fp = m g)

 

 - ve stavu rovnováhy : F = -F

 

mez pevnosti - sp, sp < Sigma n ==>   poruší se soudržnost (přetrhnutí)

→ tab. str. 139

křehké látky mají mez pevnosti blízko meze pružnosti (sklo)

mez pružnosti (elasticity) - sE - max. hodnota Sigma n, kdy zůstává deformace pružná (pak už trvalá)

dovolené napětí - sD - max. hodnota Sigma n, kdy při deformaci (tahem, tlakem) jde o pružnou deformaci. Podíl meze pevnosti a dovoleného napětí je součinitel (koeficient) bezpečnosti.

 

Př.:

d=?

m = 2,5t

Sigma n = 60 MPa

Sigma n = mg / pi d2 / 4

d2 = 4 mg / pi Sigma n = 2,3 cm

 

 

Př.: SIgma n = ? [Pa]

F = 0,25 kN

d = 2,1mm

Sigma n = Fp / s

 

Př.:

d = 15mm = 0,015m

(tyčinka)

F = 1,63 * 105 N..... síla potřebná k jejímu přetržení

 

Urči mez pevnosti v tahu.

Sigma n = Fp / S

Sigma n = 163000 / pi r2 = 163000 / 0,000176625 = 922 859 165 Pa

 

Hookův zákon pro pružnou deformaci tahem

hookuv zakon

 - vyjadřujeme závislost normálového napětí sn a relativního prodloužení epsilon ε

Sigma n = Fp / s

 

    v tab je, ale není popsát jako ε =!!!

delta l = l - l1 (konečná délka - počáteční délka)

 

 => prodloužení vůči původní délce. Pokud chceme v procentech, tak ε * 100

 

Hookův zákon zní: normálové napětí je přímo úměrné relativnímu prodloužení:

 

Sigma n = E * ε

 

E... modul pružnosti v tahu (konstanta charakterizuje látku)

 

 - hookův zákon platí pouze pro pružnou deformaci tahem

 - je-li E malé, normálové napětí se mění pomalu

ε = 1... prodloužení o vlastní délku

 

Graf relativního prodloužení:

 graf relativniho prodlouzeni

sigma K - mez kluzu

 

1 - dopružení

2 - látka teče

3 - zpevnění materiálu

4 - roztržení materiálu

 

 - různé materiály mají různé délky částí

 

Délková, objemová roztažnost

V = V1 [1 + Beta (t - t1)]

- u délkové roztažnosti místo V1 je l1, místo beta je alpha, místo V je l

Beta... součinitel objemové roztažnosti

Aplha... ... součinitel délkové roztažnosti

 

 

př.: Ocelový drát má při t2=-15C délku 1000m. Urči jeho délku při teplotě 45C

alpha = 11,5 * 10−6 K

l - 1000 * [1 + 11,5 * 10−6 * 60]

l = 1000 * [1 + 690 * 10−6]

l = 1000 * [1,00069] = 1000,7 m

 

př.: t1 = 20C

V1 = 1 l

delta V = ?

t = 80C

 

1l = dm3 = 0,001 m3

Beta = 2,4 * 10−5 K−1

 

V = 0,001 [1 + 2,4 * 10−5 (60)]

V = 0,001 * 1,00144

V = 0,00100144 m3

 

deltaV = 0,001 - 0,00100144

deltaV = 0,00000144 m3

deltaV = 1,44 cm3

 

Proces tání

 - změna skupenství pevného na kapalné

 - většina pevných látek procesem tání zvětšuje svůj objem

     - výjimky: led, bismut, germanium - ty táním svůj objem zmenšují

 

Podmínky uskutečnění tání

a) dosažení teploty tání tt (různá, souvisí s vnějším tlakem)

tani

 - u ledu se zvyšující teplotou tlak snižuje -> regulace ledu

 

b) musíme dodávat teplo, než těleso roztaje -> skupenské teplo tání Lt [J] = teplo, které musíme dodat tělesu, zahřátému na teplotu tání Lt, aby se roztálo

tani

Q = m c delta t

c... měrná tepelná kapacita

 

 

př.: Q = ? [J]

m = 10 kg

t1 = 20 C

tt = 660 C

c = 896 J kg−1 K−1

lt = 400 K J kg−1

 

Q1 = m c delta t

Lt = m lt

 

Q = Q1 + Lt

Q = 10 * 896 * 640 + 10 * 400 000

Q = 57344 * 102 + 4 * 106

Q = 94 344

 

Př.:

ε = 62% = 0,62

M = 5 t = 5 * 103 kg

E = ?

T1 = 16 C

Tt = 1300 C

C = 460 J kg−1 K−1

Lt = 82 kJ kg−1 = 82 * 103 J kg−1 K−1

 

ε = Q / E

E = Q / ε  

Q = Qz + lt

Q = m c (t1 - 1) + m * lt

Q = 5 * 103 * 460 * (1300 - 16) + 5 * 103 * 82 * 103

Q = 5 * 104 * 46 * (1284) + 5 * 106 * 82

Q = 23 * 105 * 1284 + 41 * 107

Q = 29532 * 105 + 41 * 107 = 33632 * 1-^5 J

 

 

Vypařování (koncenzace)

 - přeměna kapaliny na plyn

-          Probíhá za každé teploty

Urychlíme:

-          Zvýšením teploty

-          Odvodem par

-          Zvětšení plochy

 

-          Skupenské teplo vypařování (varu) - Lv

-          Množství tepla, které musíme dodat, aby se látka změnila v páru téže teploty.

 – měrné skupenské teplo vypařování (také Lv)

Lv = Lv / m [J Kg−1]

 

-          Lv s rostoucí teplotou klesá

 

Př.: voda  0C à lv = 2,51 MJ kg−1           … tab. 152

              100C à lv = 2,26 MJ kg−1

 

Var – proces, kdy k vypařování dochází v celém objemu kapaliny (vypařování odevšud)

-          Bublinky páry vznikají uvnitř kapaliny

-          Je podmíněn teplotou varu

 

Např.: H2O při normál. atmosférickém tlaku 101 kPa má teplotu varu 100 C

-          Teplota varu závisí na vnějším tlaku

-          S rostoucím tlakem teplota varu roste, se snižujícím klesá

-          Využití: v tlakových nádobách – papinův hrnec

 

 

Sublimace

-          Proces, při kterém se pevná látka přímo mění na plyn

-          Sublimuje např.: sníh, led, jód, kafr, naftalen, ale i vonící a páchnoucí pevné látky

-          Měrné skupenské teplo sublimace ls = Ls / m

-          Ls závisí na teplotě, kdy látka sublimuje

 

Desublimace

-          Přeměna látky z plynného stavu na pevné. Např. jinovatka, kdy vodní pára nesublimuje na pevné krystalky při teplotách menších, než 0C

 

Sytá pára

-          Vzniká v uzavřené nádobě

-          Prostor nad kapalinou se zasytí (obsahuje maximální možný počet molekul plynu)

-          V uzavřené nádobě dochází k dynamické rovnováze à objem syté páry a kapaliny je stejný

 syta para

Vlastnosti syté páry

-          Je v rovnováze s kapalinou

-          Neplatí Van der Walsova rovnice ani stavová rovnice (p * V / T – není konstantní)

-          Tlak syté páry se při konstantní teplotě nemění s objemem

-          Při rostoucí teplotě se tlak syté páry zvyšuje

-          Tlak syté páry závisí pouze na chemickém složení

 

Vlhkost vzduchu

Absolutní vlhkost:

 Ф = m / V

 – udává hmotnost páry v určitém objemu.

 

Relativní vlhkost:

 fí = Ф / Фm

 

Podíl absolutní vlhkosti / vlhkostí, kdy je vodní pára ve vzduchu sytou parou

 

A….trojný bod à je to stav, kdy pevná látka, kapalina i plynná látka jsou v dynamické rovnováze

K … kritický bod à je to poslední bod křivky, ve kterém jde určit, zda se jedná o plynnou látku nebo kapalinu

 

fazovy diagram


 

  Aktivity (1)

Článek pro vás napsal David Čápka
Avatar
Autor pracuje jako softwarový architekt a pedagog na projektu ITnetwork.cz (a jeho zahraničních verzích). Velmi si váží svobody podnikání v naší zemi a věří, že když se člověk neštítí práce, tak dokáže úplně cokoli.
Unicorn College Autor se informační technologie naučil na Unicorn College - prestižní soukromé vysoké škole IT a ekonomie.

Jak se ti líbí článek?
Ještě nikdo nehodnotil, buď první!


 



 

 

Komentáře

Děláme co je v našich silách, aby byly zdejší diskuze co nejkvalitnější. Proto do nich také mohou přispívat pouze registrovaní členové. Pro zapojení do diskuze se přihlas. Pokud ještě nemáš účet, zaregistruj se, je to zdarma.

Zatím nikdo nevložil komentář - buď první!