Štruktúra, vlastnosti a zmeny skupenstva pevných látok

pevné látky

1. kryštalickej - pravidelné usporiadanie stavebných častíc

monokryštály - majú pravidelné usporiadanie v celom kryštáli

(NaCl, CaCO3, SiO2)

polykryštálu - obsahujú náhodne usporiadaná zrná, ktoré sú vo vnútri pravidelne usporiadané. (Zemina, prach, kovy), sú izotropné

2. amorfné - beztvaré (asfalt, vosk, sklo, kaučuk)

polyméry - bielkoviny, org. pôvod

izotropie- vo všetkých smeroch má látka rovnaké vlastnosti (polykryštalické látky)

anizotropia - nie sú rovnaké vlastnosti (monokryštalické látky)

** **

geometrická mriežka - sústava rovnobežiek v priestore, rozdelí kryštál na sústavu rovnobežnostena

ideálne geometrická mriežka je mriežka pravidelne obsadená časticami

• podľa tvar rovnobežnostena rozlišujeme tzv. Kryštalografickej sústavy - sústava kubická (kubická) - elementárne (základná) bunka je kocka

1. primárny 2) plošne centrovaná 3) priestorovo centrovaná

Vrcholy stredy strán stred kocky

• Častice kmitajú okolo bodov kryštalická. mriežky.

mriežkový parameter a- dĺžka hrany kocky

Poruchy (defekty) kryštálovej mriežky

• v reálnom kryštáli existuje veľa porúch od pravidelného usporiadania častíc

1. vakance - vzniká neobsazením rovnovážnej polohy kryštalická. mriežky

příčina- tepelný kmitavý pohyb častíc -> častice opustí svoje miesto a vzniká neobsadené miesto

dostaneme ožiarením kryštálu - elektróny, neutróny, ióny

2. intersticiálna poloha - častice sa nachádza mimo pravidelný bod kryštalickej mriežky (v medzere -)

3. prímesi (nečistota)

• cudzie častice sa vyskytuje v kryštáli daného chem. Zloženie

• nachádza sa buď v intersticiálnej polohe (podľa počtu častíc C v Fe dostaneme rôzne druhy ocele) alebo nahrádza vlastný časticu mriežky (polovodiče typu P alebo N - prímesi do štruktúry kremíka)

typy väzieb

Sily ktoré pôsobia medzi časticami v kryštalickej mriežke:

1. Iónová - mriežku drží pohromade elektrickej príťažlivé sily medzi katióny a anióny

2. Kovová - odpudivé elektrické sily katiónov kovu nepustí atómy na novú polohu, elektróny tvoria elektrónový plyn medzi katióny - sú voľné

3. Kovalentná - je to chemická väzba medzi atómami, kedy atómy majú spoločné valenčné elektróny; je u izolantov alebo polovodičov (Si, Ge)

4. Molekulová - sily medzi molekulami - je veľmi slabá

Deformácia pevného telesa

tvárna (plastická) - prestaneme Ak pôsobiť silou, deformácie zostáva

pružná (elastická) - vracia sa do pôvodného tvaru, je dočasná

deformácia telesa = zmena tvaru, objemu i rozmerov pôsobením vonkajšej sily

1. **deformácia ťahom

**

F = -F

• rozťahovanie - výťah žeriav

2. deformácia tlakom **

**

F = -F

• stláčanie - piliere, nosníky

3. **deformácia ohybom

**

F - sila, pôsobiaca váhou toho telesa

• horná vrstva sa deformuje tlakom

• spodná vrstva sa deformuje tlakom

• prostredná časť zostáva nezmenená

4. **deformácia šmykom

**

• posunutie vrstiev, vzdialenosť vrstiev sa nemení (skrutka, nit)

5. deformácia krútením - obsahuje 2 sústavy síl, vrták pri vŕtaní, skrutky pri uťahovaní

Sila pružnosti, normálové napätie

• ťahovej sily vyvolávajúce silu F

• pri deformácii nastáva tzv. Stav napätosti, ktorý je charakterizovaný normálovým napätím - Sigma n [Pa]

sila pružnosti, ktorá pôsobí na priečny rez s obsahom S / obsah plochy (v tab u Hoodova zákona na konci F / S)

(Fil = mg)

• v stave rovnováhy: F = -F

medza pevnosti - s p, s _p <Sigma n ==> poruší sa súdržnosť (pretrhnutia)

→ tab. str. 139

• krehké látky majú medzu pevnosti blízko medze pružnosti (sklo)

medza pružnosti (elasticity) - s E - max. hodnota Sigma n, kedy zostáva deformácie pružná (potom už trvalá)

dovolené napätie - s D - max. hodnota Sigma n, kedy pri deformácii (ťahom, tlakom) ide o pružnú deformáciu. Podiel medze pevnosti a dovoleného napätia je súčiniteľ (koeficient) bezpečnosti.

* *

Pr .:

d =?

m = 2,5t

Sigma n = 60 MPa

Sigma n = mg / pi d 2/4

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

* *

* *

Pr .: sigma n =? [Pa]

F = 0,25 kN

d = 2,1mm

Sigma n = Fil / s

* *

Pr .:

d = 15mm = 0,015

(tyčinka)

F = 1,63 * 10 5 N ..... sila potrebná k jej pretrhnutiu

* *

Urči medza pevnosti v ťahu.

Sigma n = Fil / S

Sigma n = 163000 / pi r 2 = 163000 / 0,000176625 = 922 859 165 Pa

Hookov zákon pre pružnú deformáciu ťahom

• vyjadrujeme závislosť normálového napätia s n a relatívneho predĺženia epsilon ε

Sigma n = Fil / s

v tab je, ale nie je opísať ako ε = !!!

delta l = l - l1 (konečná dĺžka - počiatočná dĺžka)

=> Predĺženie voči pôvodnej dĺžke. Ak chceme v percentách, tak ε * 100

Hookov zákon znie: normálové napätie je priamo úmerné relatívnemu predĺženiu:

** **

Sigma n = E *** **ε

E ... Youngov modul (konštanta charakterizuje látku)

• Hookov zákon platí len pre pružnú deformáciu ťahom

• ak je E malé, normálové napätia sa mení pomaly

ε = 1 ... predĺženia o vlastné dĺžku

Graf relatívneho predĺženia:

sigma K - medza klzu

1 - dopružení

2 - látka tečie

3 - spevnenie materiálu

4 - roztrhnutie materiálu

• rôzne materiály majú rôzne dĺžky častí

Dĺžková, objemová rozťažnosť

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

• u dĺžkovej rozťažnosti miesto V1 je l1, miesto beta je alpha, miesto V je l

Beta ... súčiniteľ objemovej rozťažnosti

Aplha ... ... súčiniteľ dĺžkovej rozťažnosti

pr .: Oceľový drôt má pri t2 = -15C dĺžku 1000m. Urči jeho dĺžku pri teplote 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

* *

pr .: t1 = 20C

V1 = 1 l

delta V =?

t = 80C

* *

1l = dm 3 = 0,001 m 3

Beta = 2,4 * 10 -5 K -1

* *

V = 0,001 [1 + 2,4 * 10 -5 (60)]

V = 0,001 * 1,00144

V = 0,00100144 m 3

* *

deltaV = 0,001 - 0,00100144

deltaV = 0,00000144 m 3

deltaV = 1,44 cm 3

proces topenia

• zmena skupenstva pevného na kvapalné

• väčšina pevných látok procesom topenia zväčšuje svoj objem

• výnimky: ľad, bizmut, germánium - ty topením svoj objem zmenšujú

Podmienky uskutočnenia topenia

1. dosiahnutie teploty topenia t t (rôzna, súvisí s vonkajším tlakom)

• u ľadu so zvyšujúcou teplotou tlak znižuje -> regulácia ľadu

2. musíme dodávať teplo, než teleso roztopí -> skupenské teplo topenia L _t [J] = teplo, ktoré musíme dodať telesu, zahřátému na teplotu topenia L _t, aby sa roztopilo

Q = mc delta t

c ... merná tepelná kapacita

pr .: 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 = mc delta t

Lt = m lt

* *

Q = Q1 + Lt

Q = 10 * 896 * 640 + 10 * 400 000

Q = 57344 * 10 2 + 4 * 10 6

Q = 94 344

* *

Pr .:

ε = 62% = 0,62

M = 5 t = 5 * 10 3 kg

E =?

T1 = 16 C

Tt = 1300 C

C = 460 J kg -1 K -1

Lt = 82 kJ kg -1 = 82 * 10 3 J kg -1 K -1

* *

ε = Q / E

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

Q = 5 * 10 3 * 460 * (1300 - 16) + 5 * 10 3 * 82 * 10 3

Q = 5 * 10 4 * 46 * (1284) + 5 * 10 6 * 82

Q = 23 * 10 5 * 1284 + 41 * 10 7

Q = 29532 * 10 5 + 41 * 10 7 = 33632 * 1- ^ 5 J

Vyparovanie (koncenzace)

• premena kvapaliny na plyn

• Prebieha za každé teploty

urýchlime:

• Zvýšením teploty

• Odvodom par

• Zväčšenie plochy

• Skupenské teplo vyparovania (varu) - Lv

• Množstvo tepla, ktoré musíme dodať, aby sa látka zmenila v páre tej istej teploty.

• merné skupenské teplo vyparovania (tiež Lv)

Lv = Lv / m [J Kg ^-1]

• Lv s rastúcou teplotou klesá

Pr .: voda 0C à l _v = 2,51 MJ kg ^-1... tab. 152

100C à l _v = 2,26 MJ kg ^-1

Var - proces, kedy k odparovaniu dochádza v celom objeme kvapaliny (vyparovanie odvšadiaľ)

• Bublinky pary vznikajú vnútri kvapaliny

• Je podmienený teplotou varu

Napr .: H2O pri normál. atmosférickom tlaku 101 kPa teplotou varu 100 C

• Teplota varu závisí od vonkajšieho tlaku

• S rastúcim tlakom teplota varu rastie, so znižujúcim klesá

• Využitie: v tlakových nádobách - tlakový hrniec

sublimácia

• Proces, pri ktorom sa pevná látka priamo mení na plyn

• sublimuje napr .: sneh, ľad, jód, gáfor, naftalín, ale aj voňajúce a páchnuce pevné látky

• Merné skupenské teplo sublimácie ls = Ls / m

• Ls závisí od teploty, kedy látka sublimuje

Desublimace

• Premena látky z plynného stavu na pevné. Napr. inovať, kedy vodná para nesublimuje na pevnej kryštáliky pri teplotách menších, než 0C

sýta para

• Vzniká v uzavretej nádobe

• Priestor nad kvapalinou sa zasýti (obsahuje maximálny možný počet molekúl plynu)

• V uzavretej nádobe dochádza k dynamickej rovnováhe à objem sýtej pary a kvapaliny je rovnaký

Vlastnosti sýtej pary

• Je v rovnováhe s kvapalinou

• Neplatí Van der Walsova rovnice ani stavová rovnica (p * V / T - nie je konštantná)

• Tlak nasýtenej pary sa pri konštantnej teplote nemení s objemom

• Pri rastúcej teplote sa tlak sýtej pary zvyšuje

• Tlak nasýtenej pary závisí iba na chemickom zložení

vlhkosť vzduchu

Absolútna vlhkosť:

Ф = m / V

• udáva hmotnosť pary v určitom objeme.

Relatívna vlhkosť:

fí = Ф / Ф _m

Podiel absolútnej vlhkosti / vlhkosťou, kedy je vodná para vo vzduchu sýtou parou

A ... .trojný bod à je to stav, kedy pevná látka, kvapalina aj plynná látka sú v dynamickej rovnováhe

K ... kritický bod à je to posledný bod krivky, v ktorom ide určiť, či ide o plynnú látku alebo kvapalinu