Agrofizyka

W1

Międzynarodowy układ jednostek SI.

Agrofizyka dyscyplina na pograniczu fizyki. Zastosowanie praw fizycznych dla rolnictwa.

Nazwa jednostka podstawowa wielkość

Metr m długość

Kilogram kg masa

Sekunda s czas

Amper A natężenie prądu elektrycznego

Kelwin K temperatura

Kandela Cd natężenie światła, światłość

Mol mol liczność materii

Radian rad miara kąta płaskiego

Steradian sr miara kąta bryłowego

Kelwin 0°C=273,15K

0 K= - 273,15°C

Mol jest jednostką bezwymiarową. 1 mol = 6,02*10²³ cząsteczek

Jednostki pochodne

Wielkość nazwa ozn. Jednostka podstawowa

Siła niuton N kg*m*s^-2 ( 1N = 1kg*1m/1s²)

Ciśnienie paskal Pa kg*m^-1*s^-2

Energia, praca, ciepło dżul J kg*m²*s^-2

Moc wat W kg*m²*s^-3

Siła to wartość 1N z jaką trzeba działać.

Paskal 1Pa=1kg*1m^-1*1s^-2=1N/m²

Dżul 1J=1N*1m, 1J=1W*s

Wat 1W= 1J/s=1kg*1m²/1s³

1W=1V*1A

Wat jest to moc jaka wydzielana w elemencie rzeczywistym jeśli przyłożona jest doń różnica potencjałów 1V i przepływa prąd o natężeniu 1A.

Kulomb (C) 1C=1A*1s

Ładunek elektryczny kulomb C A*s

Napięcie elektryczne wolt V

Pojemność elektryczna farad F

Rezystancje (opór) om Ω

Przewodność elektryczna simens S

Strumień magnetyczny weber Wb kg*m^-2*s^-2*A^-1

Indukcja magnetyczna tesla T kg*s^-2*A^-2

Indukcyjność henr H kg*m²*s^-2A^-2

Kulomb jest to ładunek elektryczny przepływający w czasie 1s przez przekrój poprzeczny przewodnika, gdy natężenie prądu elektrycznego płynącego przez tą powierzchnie wynosi 1A. 1C=1F*1V lub 1C=1A*1s

Wolt miedzy dwoma punktami pola występuję różnica potencjałów (napięcie elektryczne) 1V jeśli praca wykonana przy przesuwaniu ładunku 1C między tymi punktami wynosi 1J. 1V=1J/1C=1W/1A= 1kg*m²/1A*s³

Farad

1F=1C/N=1kg^-1*m^-2*s⁴*A²= (1A*1s)/1V

Om

1Ω=1V/1A

Simens - wyraża się przez jedności podstawowe odwrotności om (oporu). S=1/Ω

Strumień świetlny - lumen - lm - cd*sr 1lm=1cd*1sr

Natężenie światła - luks - lx - cd*sr*m^-2

Dawka pochłonięta - grej - Gy - m²*s^-2

Równoważnik dawki pochłoniętej - siwert - Sr - m²*s^-2

Aktywność ciała promieniotwórczego - Bekerd - Bq - s^-1

Grej - jest to ilość energii promieniowania (w J) pochłoniętej przez 1 kg materii.

1Gy=1J/1 kg

Przedrostki do jednostek:

Tera T

Giga G 10⁹

Mega M 10⁶

Kilo k 10³

Hekto h 10²

Deka da 10

Decy d 10^-2

Centy c 10^-1

Mili m 10^-3

Mikro μ 10^-6

Nano n 10^-9

Piko p 10^-12

Femto f 10^-15

Atto a 10^-18

Atmosfera atm - atm techniczna = 1at= 98066,5 Pa

atm fizyczna= 1 atm= 101325 Pa

milimetr słupa rtęci mmHg 1atm=760mmHg

1mmHg=133,324 Pa

Kaloria (1 cal) jest to jednostka energii potrzebna aby ogrzać o 1°C 1 ^cm3 wody. 1 cal = 4,19J

Kilowatogodzina (kWh) 1kWh= 3600000 J

Kilogramosiła (KG) 1 KG= 9,80665 N

Elektronowolt (1eV) 1eV=1,602*10^-19J

W2

Gaz doskonały i rzeczywisty

Gaz doskonały jest modelem skonstruowanym przy następujących założeniach:

Brak oddziaływań między cząsteczkami gazu

Znikoma objętość cząsteczek ( cząsteczki gazu rozważane są jako punkty materialne posiadające jednakową masę)

Cząsteczki poruczają się prostoliniowo, zmieniając kierunek wskutek przypadkowych zderzeń

Zderzenia cząsteczek gazu są doskonale sprężyste

Średnia energia kinetyczna cząsteczek jest wprost proporcjonalna do temperatury bezwzględnej

Model gazu doskonałego opisuje poprawnie zachowanie tylko granicznie rozrzedzonych gazów, a w praktyce stosuje się jednak dla większości gazów w warunkach normalnych .

Parametry gazu doskonałego :

Ciśnienie p

Temperatura T

Objętość V

Liczba moli n

Równanie gazu doskonałego - równanie Clapeyrona:

pV=nRT

R-stała gazowa (1013hPa*22,4dm³)/273K*1mol)= 83,14 hPa*dm³/K*mol

R=8,3Pa*m³/K*mol

pV/T=Nr=const

p₀V₀/T₀=p ₁ V₁/T₁=p ₂V₂/T₂

zmiana 1 parametru pociąga za sobą zmianę pozostałych

izotermiczne - stała temperatura

izochoryczne - stała objętość

izobaryczne - stałe ciśnienie

Prawo Boyle'a - Mariotte'a - prawo izotermy, iloczyn objętości V i ciśnienia p gazu jest w stałej temperaturze zawsze wielkością stałą.

pV=const p ₁V₁=p ₂V ₂

Prawo Gey - Lussaca - prawo izobary. Badania Gey - Lussaca wykazały, że zależność obj gazu od temperatury jest zależnością liniową (przemiany gazu wykonywana była przy stałym ciśnieniu dlatego nazywamy ją przemianą izobaryczną). V/T=const

Prawo Charlesa - prawo izochory. W stałej obj iloraz ciśnienia gazu do temp bezwzględnej jest wartością stałą lub w stałej obj ciśnienie gazu jest proporcjonalne do temp bezwzględnej. P/T=const P₁/T₁=P₂/T₂

Prawo Avogadro - w warunkach normalnych 0°C - 273K , p - 1013 hPa 1 mol gazu zajmuje objętość 22,4 dm³. 1mol - 6,02*10²³ cząsteczek.

Gęstość gazu

d=m/V = (M*p)/(R*T)

gęstość względna jest to stosunek mas jednakowych obj dwóch gazów w tych samych warunkach ciśnienia i temp.

d₁= (M₁*p)/(R*T)

d₂= (M₂*p)/(R/T)

d₁/d₂=M₁/M₂

w warunkach normalnych gęstość CO₂ wynosi 1,96 g/cm³

energia gazów

czasteczka gazu może wykorzystywać trzy rodzaje ruchów;

- ruch postępowy (translacyjny)

- ruch obrotowy (rotacyjny- obrót względem każdej z 3 osi, bezwładnościowy)

- ruchy drgające ( oscylacyjne)

Średnia energia kinetyczna jednej cząsteczki gazu; E=1/2mν²

ν² - średnia prędkość kwadratowa N cząsteczek

ν² = ν² + ν² +…./ N

energia kinetyczna 1 mola gazu wynosi:

E=3/2RT N₀=6,023*10²³

Ε= 1/2m ν²= (3R/2N₀)*T= 3/2kT

K=R/N₀ stała Boltzmama (1,3806 * 10^-23 J/K)

Dyfuzja gazów

- samorzutne rozprzestrzenianie cząsteczek wywołane ich nieustanym ruchem molekularno kinetycznym nazywamy dyfuzja.

Termin dyfuzja stosowany jest również do zjawiska przenikania gazów przez porowate ścianki. Szybkość dyfuzji różnych gazów w stałej temp. I przy stałej różnicy ciśnienia zależy od szybkości ruchu cząsteczek, a wiec od ich masy ( gęstości) gazu . (prawo dyfuzji Grahama) V₁/V₂=√d₁/d₂

- tlen z powietrza dociera do głębszych warstw wody w jeziorach i rzekach, umożliwia życie organizmom widnym

- rozchodzenie się różnych zarazków w powietrzu

- cząsteczki tlenu i innych substancji odżywczych przenikają przez błony komórkowe do krwi i są rozprowadzane po całym organizmie.

Gazy rzeczywiste

Przyczyny różnic w zachowaniu się gazów rzeczywistych i doskonałych:

Oddziaływanie międzycząsteczkowe ( większe im wyższe jest ciśnienie)

Czynnik objętościowy ( należy uwzględnić obj własną cząsteczek)

Równanie stanu gazu rzeczywistego:

(p+n²*a/V²)*(V-n*b)=n*R-T

n² *a/V² - korekta ciśnieniowa

n - liczba moli

V - objętość

a- stała charakterystyczne dla danego gazu

n-b - poprawka związana jest z objętością własną cząsteczek

stałe a i b wyznacza się doświadczalnie

miarą odchylenia zachowania gazu rzeczywistego og gazu doskonałego jest współczynnik ścisłości Z; Z =pVm/RT

dla gazu doskonałego w każdym wzorcu Z=1

dla gazów rzeczywistych Z może znacznie odbiegać od jedności.

Ciśnienie i temperatura możemy tak ustawić dla gazu rzeczywistego , ze będzie miał właściwości gazu doskonałego.

W3

Ciecz - jest to stan skupienia materii pośredni pomiędzy ciałem stałym a gazem. Cząsteczki cieczy w porównaniu z ciałami stałymi słabiej się przyciągają, znajdują się w większych odległościach od siebie.

Właściwości cieczy:

• Brak określonego kształtu - ciecz przyjmuje kształt naczynia w którym się znajduje,

• Niewielka ściśliwość i rozszerzalność - trudno zmienić ich objętość,

• Charakteryzują się powolną dyfuzją,

• Ciecze zawsze parują z otwartych pojemników,

• Powierzchnia swobodna cieczy ( górna powierzchnia cieczy) tworzy się samorzutnie i jest zawsze płaszczyzną poziomą,

• Ciecze są najczęściej złymi przewodnikami ciepła.

ęłęóParowanie, przejście cieczy w parę. Proces polegający na odrywaniu się cząstek wody od wilgotnej powierzchni (np. oceanu, gruntu, roślin) i przechodzeniu jej do powietrza jako drobiny pary wodnej, podczas którego pobierana jest energia z otoczenia (do wyparowania 1 g wody o temperaturze 0°C potrzeba 597 cal).
Wielkość parowania wyrażona w mm grubości wody, która wyparowuje w jednostce czasu, zależy od: temperatury otoczenia i ciała parującego, wilgotności powietrza, prędkości jego ruchu i ciśnienia atmosferycznego.
Szybkość parowania cieczy z jednostki powierzchni wyrażana jest wzorem
v=(2πmkT)^-1/2·(p₀-p),
gdzie: m - masa molowa cieczy, k - stała Boltzmanna, T - temperatura bezwzględna, p₀ - prężność pary nasyconej w danej temperaturze, p - aktualna prężność pary nad cieczą.

Wzrost temperatury i prędkości wiatru wzmaga parowanie, natomiast wilgotne otoczenie i wysokie ciśnienie osłabiają je. Szybkość parowania osiąga wartość maksymalną w próżni. Do pomiaru parowania wykorzystuje się ewaporometry.

Wrzenie - zjawisko przemiany cieczy w gaz (parę), podczas którego powstają i rosną pęcherzyki pary nasyconej w objętości. Czyli wrzenie jest to gwałtowne parowanie nie tylko na powierzchni, ale także w całej objętości. Wrzenie wymaga dostarczania energii do wrzącego ciała, dlatego jest przejściem fazowym pierwszego rodzaju.

Parowanie i powstawanie pary nienasyconej występuje, jeżeli z cieczy wychodzi więcej cząsteczek niż do niej powraca.

Kondensacja (skraplanie) - więcej cząsteczek pary wraca do cieczy niż wyparowuje z niej.

Stan pary nasyconej - para znajduje się w równowadze ze swoją własną cieczą, w stałej temperaturze masa pary nasyconej jest niezmienna w czasie.

Punkt rosy - jest to temperatura, której para nienasycona przechodzi w parę nasyconą.

Wilgotność bezwzględna (Wb) - gęstość pary wodnej w powietrzu (ilość kg pary wodnej 1m³ powietrza)

Wilgotność maksymalna (Wm) - gęstość pary wodnej nasyconej w powietrzu w danej temperaturze (ilość kg pary, która nasyca 1m³ powietrza)

Wilgotność względna (Ww) - równa się (Wb/Ww)*100% , im większa jest wilgotność względna tym występuje szybsze parowanie cieczy. Wilgotność względna powietrza, która wynosi 60% jest najkorzystniejsza dla człowieka.

Gęstość cieczy- jest to stosunek masy cieczy do jej objętości. Czynniki wpływające na gęstość cieczy to: objętość oraz temperatura.

Ciśnienie hydrostatyczne to ciśnienie spowodowane ciężarem cieczy. Jeśli w naczyniu lub zbiorniku znajduje się słup cieczy o wysokości h to wywiera on ciśnienie o wartości: p=d*g*h, gdzie: d- gęstość cieczy, g - przyspieszenie ziemskie, h - wysokość słupa cieczy.

Ciśnienie hydrostatyczne na ziemi zależy tylko od gęstości i wysokości słupa cieczy, nie zależy od ilości jej w naczyniu. Ciśnienie wody w stawie i w oceanie na tej samej głębokości h jest jednakowe ( przy założeniach że w stawie ma takaa samą gęstość jak woda w oceanie.)

Prawo Pascala - ciśnienie w naczyniu z cieczą jest jednakowe. Wynika to z cząsteczkowej budowy cieczy - cząsteczki są w pewnej odległości od siebie i nie tworzą sztywnej struktury, mogą się przesuwać względem siebie.

Prawo Archimedesa - na ciało zanurzone w cieczy działa siła wyporu skierowana pionowo do góry, której wartość jest równa ciężarowi cieczy wypartej przez to ciało, której wartość jest równa ciężarowi cieczy wypartej przez to ciało.

Fw=ρ*g*Vf

Fw- siła wyporu

ρ- gęstość

g - przyspieszenie ziemskie

V- objętość ciała

Jeśli temperatura cieczy jest stała T=const, trzeba zwiększyć ciśnienie, aby zmniejszyć objętość cieczy. Zmniejszenie objętości cieczy o 1% wymaga ciśnienia rzędu 10⁷ - 10⁸ N/m² .

Jeśli ciśnienie cieczy jest stałe p=const, to trzeba zwiększyć temperaturę, aby wzrosła objętość cieczy.

Woda jako wyjątek w zakresie temperatury 0 - 4°C , przy stałym ciśnieniu- kurczy się i ma wówczas najmniejszą objętość.

Ciepło jest to taka wielkość fizyczna, która jest równa zmianie energii wewnętrznej ciała zachodzącej pod wpływem różnicy temperatur. Ciepłem nazywamy ilość energii wewnętrznej jaka przepływa między ciałami w wyniku ich różnicy temperatur. Ciepło jest mikroskopowym rodzajem przekazywania energii. Często ciepłem nazywamy proces albo sposób przekazywania energii wewnętrznej pod wpływem różnicy temperatur.

Rezultatem pobierania lub oddawania przez ciało pewnej ilości ciepła jest zmiana stanu ciała: albo dochodzi do przemian fazowych albo do zmiany temperatury ciała.

W przypadku, gdy mała zmiana ilości ciepła jest proporcjonalna do zmiany temperatury ciała: Q=CΔT, gdzie C jest współczynnikiem proporcjonalności nazywamy pojemnością cieplną ciała. Wielkość ta zależy od rodzaju i masy ciała. Pojemność cieplna odniesiona do jednostki masy m nazywamy ciepłem właściwym: c=C/m (które w ogólności zmienia się wraz z temperaturą ciała). Wykorzystując pojęcie ciepła właściwego, można wzór na ciepło przestawić w takiej postaci: Q=cmΔT.

Jednostką miary ciepła jest dżul J, czasami też kaloria(cal).

Ciepło właściwe różnych ciał określa się doświadczalnie. Ciepło właściwe wody w temperaturze 20°C wynosi c_w =4186 J/kg/K.

Ciepło parowania - ciepłem parowania nazywamy ilość energii jaką wymieni z otoczeniem 1 kg. substancji podczas parowania lub skraplania w stałej temperaturze i przy stałym ciśnieniu:

q_p =

Q - ciepło,

m - masa.

Jednostką ciepła parowania jest J/kg.

Ciepło skraplania - wrzenie jest szczególnym rodzajem parowania, które odbywa się całą objętością cieczy i w stałej, określonej dla danego roztworu cieczy temperaturze, zwanej temperaturą wrzenia. Proces odwrotny od wrzenia to skraplanie. Odbywa się ona dla danej cieczy w tej samej temperaturze co wrzenie. W obu procesach wymiana ciepła z otoczeniem jest jednakowa dla danej masy określonej substancji (podczas skraplania para oddaje ciepło ). Ilość wymienionego ciepła jest opisana wzorem:

Q = q_p m

Q - wymienione w procesie ciepło,

q_p - ciepło parowania,

m - masa.

W4

Napięcie powierzchniowe

W przyrodzie każdy udział cząsteczek dąży do znalezienia się w stanie o minimalnej energii.

Cząsteczki na powierzchni cieczy - wyższa energia niż w głębi cieczy.

Brak oddziaływania sil zewnętrznych - ciecz przyjmuje kształt kuli

Napięcie powierzchniowe - przeciwstawianie się zwiększeniu powierzchni

Warstewka powierzchniowa - cząsteczki znajdujące się na powierzchni (d=0) lub w odległości (d<r) r - promień oddziaływań międzycząsteczkowych

Ciśnienie powierzchniowe - siły ciśnienia powierzchniowego powodują wciągania cząsteczek warstwy powierzchniowej do sroka cieczy .σ=F/l [N/m]

Suma sił powierzchniowych przypadających na jednostkę długości obwodu powierzchni przeciwdziałających zwiększeniu powierzchni nosi nazwę siły napięcia powierzchniowego ( napięcie powierzchniowe, współczynnik napięcia powierzchniowego).

Napięcie powierzchniowe - praca jaką należy wykonać w celu utworzenia nowej jednostki powierzchni σ=W/ΔS J/m² = N/m

Σ- dla cieczy wzg powierzchni 0,02 do 0,005 N/m

Dla wody wynosi 0,0728 N/m

Napięcie powierzchniowe zależy od :

• Rodzaju cieczy

• Graniczącej z nią fazy

• Temperatury- maleje wraz ze wzrostem temp.

Napięcie roztworów różne od napięcia cieczy:

- substancje obniżajcie napięcie powierzchniowe - substancje powierzchniowo czynne (kw. organiczne, ketony, alkohole, aminokwasy, detergenty)

Warunek: grupy hydrofilowe (COOH, OH,SO₃H,NH₂)

grupy hydrofobowe ( łańcuch węglowodorowy)

część hydrofilowa lubi wodę a część hydrofobowa nie lubi wody.

Substancje powierzchniowo nieaktywne

Nie zmieniają napięcia ub nieznacznie podnoszą (roztwory elektrolitów)

Zależność napięcia powierzchniowego od stężenia roztworów:

Dla silnie rozcieńczonych napięcie powierzchniowe maleje wraz ze wzrostem stężenia substancji powierzchniowo czynnej.

Równanie σ= σ₀ - a*b*c

Zjawiska kapilarne - włoskowatość

Tworzenie menisku wypukłego - siły przylegania mniejsze od sił spójności

Tworzenie menisku wklęsłego - siły przylegania większe od sił spójności

Zwilżanie - miarą zdolności zwilżenia jednej substancji przez drugą jest kąt zawarty między kroplą cieczy a powierzchnią ciała stałego. Kąt <90° - ciecze zwilżające, menisk wklęsły, kąt > 90°- ciecze niezwilżające , menisk wypukły

Napięcie powierzchniowe a zwilżalność

• Kaczki i ptactwo wodne- pióra naciągnięte tłuszczem i woda nie wnika do środka

• Owady

• Ubranie ochronne

• Pastowanie butów

Napięcie powierzchniowe a włoskowatość

Higroskopijność ciał - zdolność do pochłaniania wilgoci

Gleba - woda podnosi się do powierzchni i paruje

Pobieranie wody przez korzenie roślin

Metody pomiaru współczynnika napięcia powierzchniowego

1. M. stalagmometryczna

2. M. pęcherzykowa

3. M. wzniesienia kapilarnego

4. M. tensometryczna

1.)M. stalagmometryczna - polega na wyznaczaniu masy kropli odrywającej się od specjalnie ukształtowanego końca rurki kapilarnej lub wyznaczaniu liczby kropel tworzących się przy wypływie z tej rurki określonej objętości cieczy o znanej gęstości. Metoda ta, mimo iż prosta w użyciu ma teorię złożoną a uzyskanie w niej poprawnych wyników wymaga specjalnego postępowania.

W5

2). Metoda pęcherzykowa - oparta jest na zjawisku występowaniu różnicy ciśnień po obu stronach zakrzywionej powierzchni. W metodzie tej mierzy się ciśnienie potrzebne do utworzenia u wylotu kapilary zanurzonej w badanej cieczy pęcherzyka powietrza na tyle dużego by oderwał się od niej samoistnie.

3). Metoda wzniesienia kapilarnego - polega na pomiarze wysokości słupa cieczy w rurce o promieniu r.

σ= k*h*d

k- stała dla kapilary zależy od średnicy kapilary

4). Metoda tensometryczna- polega na pomiarze dynamometrycznym siły , jakiej należy użyć by oderwać od powierzchni cieczy pierścień zrobiony z cienkiego drutu platynowego, pierścień ten przytrzymywany jest siła napięcia powierzchniowego działającego na jego zewnętrznym obwodzie, warunek konieczny to dobra zwilżalność platyny przez badana ciecz. Siła potrzebna do oderwania pierścienia równa jest F=G+F_σ

G- ciężar pierścienia

F_σ =2πRσ

R-promień pierścienia

Lepkość w cieczach i roztworach

Ruch płynów (ciecze i gazy) nosi nazwę przepływu , a uporządkowany ruch cząsteczek płynów poruszających się w jednym kierunku nazywa się strumieniem.

Przepływ stacjonarny, ustalony- nie zależy od czasu

Laminarny przepływ cieczy - tory sąsiednich warstw cieczy są równoległe względem siebie (nie występuje w nich mieszanie się tych warstw)

Turbulentny przepływ cieczy - poszczególne warstwy cieczy mieszają się , ruch turbulentny płynu przejawia się w występowaniu wirów, zjawisk oderwania strugi, zjawisk mieszania.

Ciecz rzeczywista - odznacza się ściśliwością i lepkością

Ciecz idealna - nieściśliwa, nie lepka

Lepkość cieczy- opór powstały podczas przesuwania się jednych warstw cieczy względem drugich.

Lepkość to inaczej tarcie wewnętrzne, im większa lepkość tym trzeba więcej siły aby wprawić ja w ruch.

F=S(dv/dx)

F=ηS(dv/dx)

η=(F*dx)/S*dv

η- współczynnik lepkości dynamicznej

η- jest to siła która jest konieczna aby dwie powierzchnie jedno……….. danego ośrodka odległe od siebie o 1 cm przesunąć z różnica prędkości 1 am/s.

jednostka lepkości to paskalosekunda (Pa*s)

(N*m*s)/(m²*m)=(N*s)/m²= Pa*s

Tradycyjną jednostką w układzie CGS jest P; 1P= 10^-1Pa*s

Lepkość kinematyczna - nazywana jest tez kinetyczna, jest stosunkiem lepkości dynamicznej do gestości cieczy. V=η/d

Jednostka lepkości kinematycznej jest m²/s. w układzie CGS stokesy St=10^-4m²/s

Wpływ temperatury na lepkość cieczy:

Równanie Arrheniusa - Guzmana η=Ae^(E/RT)

Gdzie: A - wielkość charakterystyczna dla danej cieczy zależąca od ciężaru cza teczkowego oraz obj molowej.

E-wyraża energię molową konieczną do przezwyciężenia sił międzycząsteczkowych hamujących przesuwanie się warstw przy przepływie cieczy- energię aktywizacji przepływu lepkiego.

Lepkość cieczy warunkuje:

• Wypływ cieczy przez otwór

• Przepływ przez rury cylindryczne

• Ruch ciał o różnym kształcie w ośrodku ciekłym

Metody wyznaczania lepkości ;

• Oparte na pomiarze prędkości swobodnego opadania w cieczy kulki o znanej gęstości i promieniu ( wiskozymetr kulkowy - Hopplera)

• Oparte na pomiarze prędkości przepływu badanej cieczy przez kapilary (wiskozymetr Ostwalda i Ubbelohde'a)

Ciecze których lepkość jest w danej temp stała niezależna od wielkości gradientu prędkości dv/dx noszą nazwę cieczy newtonowskich.

Ciecze wykazujące odchylenie od tej reguły są cieczami nienewtonowskimi.

W 6

Pomiar lepkości za pomocą wiskozymetrów kulkowych (prawo Stokesa)

Na kulkę działają siły :

Siła ciężkości kulki

Siła wyporu Archimedesa

Siła oporu wynikająca z ruchu

Siła wypadkowa działajaca na ciało wynosi F=P+W+F_T

Lepkość - wzór

η=k(p-p')t (dla wiskozymetru Hopplera)

k - stała charakterystyczna dla danego układu doświadczalnego

wiskozymetr Ostwalda, w którym ciecz przepływa przez kapilarę pod wpływem różnicy ciśnień hydrostatycznych w obu ramionach

η₁/η₂ =d ₁t₁/d ₂t₂ 1-ciecz badana, 2- ciecz wzorcowa,

Polarymetria

Światło jest falą elektromagnetyczną o określonej długosci

Ruch fal elektromag. polega na rozchodzeniu się w określonej przestrzeni okresowo zmiennych pól ; elektrycznego o natężeniu E i magnetycznego o natężeniu H.

Wektory E i H są zawsze prostopadłe do siebie i do kierunku rozchodzenia się fali czyli do natężenia pola elektrycznego E, którego drgania wywołują wrażenia świetlne nazwano wektorem świetlnym.

Płaszczyznę wyznaczoną przez kierunek rozchodzenia się fali i kierunek drgań wektora świetlnego nazywa się płaszczyzną drgań wektora świetlnego.

Światło pochodzące od słońca lub innego źródła światła jest liniowo niespolaryzowane. Ozn. to , że drgania wektora świetlnego odbywają się prostopadle do kierunku rozchodzenia się światła, ale we wszystkich możliwych płaszczyznach. W świetle niespolaryzowanym wektor świetlny ma wiele płaszczyzn drgań.

Światło liniowo spolaryzowane - drgania wektora elektrycznego (świetlnego) odbywają się w jednej płaszczyźnie i kierunku.

Całkowita polaryzacja światła odbitego (odbicie zachodzi od powierzchni przezroczystych izolatorów np. szkło, woda) zachodzi dla określonego kata padania, zwanego kątem Brewstera. Jest to taki kąt padania , przy którym promień załamany tworzą z promieniem odbitym kat 90°.

Kąt dla szkła - 56°

Dla wody - 53°

Promień odbity - zawsze spolaryzowany

Promień załamany - częściowo spolaryzowany

Polaryzatory

- naturalnym i polaryzatorami występującymi w przyrodzie są tzw kryształy dwójłomne np. kalcyt (szpat islandzki), sztuczne - polaroidy

Pryzmat Nicola - pryzmat polaryzujący jest utworzony z romboedrycznego kryształu szpatu islandzkiego, odpowiednio oszlifowanego, przeciętego na dwie części i sklejonego balsamem kanadyjskim. Promień światła po wejściu do kryształu rozszczepia się na dwa promienie spolaryzowane w kierunkach wzajemnie prostopadłych :zwyczajny i nadzwyczajny. Oba promienie biegną w krysztale po tej samej drodze, ale z inną prędkością.

Promień nadzwyczajny - przechodzi przez balsam kanadyjski i wychodzi poza kryształ

Promień zwyczajny - odbija się od balsamu i nie wychodzi poza kryształ

Współczynnik załamania światła dla :

Balsamu kanadyjskiego n=1,550

Promień zwyczajny n=1,658

Promień nadzwyczajny n=1,486

Kąt przecięcia pryzmatu jest tak dobrany aby kat padania na powierzchnię balsamu był dla promieni zwyczajnych większy od kąta granicznego (całkowite wewnętrzne odbicie) a dla promienia nadzwyczajnego mniejszy od kąta granicznego. Promień zwyczajny odbije się od balsamu i jest absorbowany na czarnej ścianie pryzmatu. Promień nadzwyczajny przechodzi przez balsam i dalej przez cały pryzmat.

Substancje optycznie czynne- zdolność skręcania płaszczyzny polaryzacji światła spolaryzowanego(aktywność optyczna, skręcalność optyczna lub czynność optyczna). Związki organiczne które zawierają atom węgla do którego przyłączone są cztery różne grupy. Taki atom węgla nosi nazwę centrum chiralności ( węgiel asymetryczny), a to Ozn ze dla każdej cząsteczki posiadającej……………………………….

Czynność optyczna

Kryształy - typ budowy przestrzennej SiO₂, NaClO₂, związki kompleksowe metali o konfiguracji tetraedrycznej i liczbie koordynacyjnej 4 (Be,BZn), oktaedrycznej i liczbie koordynacyjnej 6 (Co, Ni)

Zasada pomiaru kata skręcania płaszczyzny:

- źródło światła Z (lampa sodowa)

- polaryzator P ( pryzmat Nicola stały)

- rurka polarymetryczna na roztwór K

- analizator A (pryzmat Nicola ruchomy)

- luneta L

Zasada pomiaru kata skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła polega na obrocie analizatorem kąt jakiemu uległa skręceniu płaszczyzna polaryzacji światła po przejściu przez roztwór substancji optycznie czynnej, którą wprowadzono pomiędzy pryzmaty Nicola.

Światło monochromatyczne odp długość fali linii D światła sodowego przechodzi przez soczewkę kolimatora i jako wiązka równoległa trafia na polaryzator.

Kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła α=k*[α]_D²⁰*l*c

Gdzie : α- kąt skręcenia płaszczyzny , [α]_D²⁰ - skręcalność właściwa, k - współczynnik proporcjonalności, c- stężenie badanej substancji optycznie czynnej, l- długość rurki,

Indeks górny 20 ozn temp pomiaru , indeks dolny D- światło monochromatyczne czyli linia D lampy sodowej (589,3 nm)

W 7,8

Refraktometria

Współczynnik załamania ośrodka jest miarą zmiany prędkości rozchodzenia się fali w danym ośrodku w stosunku do prędkości w innym ośrodku, dokładniej jest on równy stosunkowi prędkości fazowej fali w ośrodku odniesienia do prędkości fazowej fali w ośrodku ……………………………………………………

Bezwzględny współczynnik załamania światła w danym ośrodku n=c/V, gdzie c-prędkość światła w próżni, V- prędkość światła w danym ośrodku

Fale elektromagnetyczne są jednym rodzajem fali mogących rozchodzić się w próżni, dlatego ośrodkiem jest odniesienia jest ……

Kat padania - kąt pomiędzy kierunkiem promieniowania padającego a prostą prostopadłą (normalną) do granicy ośrodków.

Kat odbicia - kąt między kierunkiem promienia odbitego a prostą prostopadła (normalną) do granicy ośrodków.

Kąt odbicia jest równy kątowi padania gdy promień padający, promień odbity i normalna leżą w jednej płaszczyźnie.

Stosunek sinusa kąta padania do sinusa kata załamania jest dla dwóch danych ośrodków wielkością stała , równą stosunkowi szybkości światła w tych ośrodkach i zwaną względnym współczynnikiem załamania światła ośrodka drugiego względem pierwszego.

n=sinα/sinβ, const = v₁/v₂= sinα/sinβ

Kąt załamania jest zawsze mniejszy od kąta padania. Pojęcie kata granicznego przy przejściu z ośrodka optycznie rzadszego do optycznie gęstszego.

Kąt graniczny - to maksymalny kat załamania dla którego kąt padania wynosi niemal 90°. Występuje wtedy tylko w sytuacji gdy światło rozchodzące się w ośrodku a współczynnik załamania n₁ pada na granicę z ośrodkiem o współczynniku załamania n₂ także że n₁<n₂.

n= sinα/sinβ=sin 90°/sinβ=1/sinβ

Całkowite wewnętrzne odbicie występuje wtedy gdy światło z jednego ośrodka nie przedostaje się do drugiego warunkiem całkowitego wewnętrznego odbicia jest to aby kąt padania był większy od kata niemal 90°.

Wykorzystanie refraktometrii:

- pomiar i kontrola zaw cukrów

- pomiar i kontrola stężenia syropów

- pomiar jakości produktów i płodów rolnych

- kontrola procesu produkcji zalew, olejów roślinnych, przypraw , koncentratów

Termodynamika

- jest to badanie przemian energii z jednej postaci w inną, a w szczególności przemian ciepła w pracę i odwrotnie.

• T.klasyczna - z pominięciem istnienia atomów i cząsteczek (układy makroskopowe)

• T.statystyczna - zajmuje się związkiem między właściwościami atomowymi a właściwościami układów makroskopowych

Energia decyduje o wszystkim:

- jakie czasteczki mogą tworzyć ją tworzyć

- jakie mogą przebiegać rekcji

- jak ona szybko przebiega, w jakim kierunku przebiega

Energia wewnętrzna układu (U) to suma wszystkich rodzajów energii danego układu, (energii kinetycznej cząsteczki, oscylacyjnej i rotacji cząsteczek, elektronów, wiązań chemicznych, oddziaływań między cząsteczkowych, przemian jądrowych).

Funkcja termodynamiczna - funkcje materii opisuje stan danego układu, niezależnie od drogi przemiany układu a jedynie od stanu początkowego i końcowego układu.

Funkcjami są:

• Energia wewnętrzna układu U

• Entalpia układu H

• Entropia S

• Entalpia swobodna G

• Energia swobodna F

Układ to przestrzeń w której zachodzi dany proces wraz ze znajdującymi się tam substancjami

Otoczenie układu - wszystko to co znajduje się poza układem

Układ izolowany - brak wymiany masy i energii z otoczeniem

Układ izolowany adiabatycznie - brak wymiany masy i energii z otoczeniem na sposób ciepła

Układ zamknięty- brak wymiany masy z otoczeniem

Układ otwarty - wymiana masy i energii z otoczeniem

Parametry układu

Zmienne określające stan układu nazywamy parametrami stanu: V, p, T, skład

• Ekstensywne - ich wielkość zależy od masy substancji zawartej w układzie- V,U,H,S

• Intensywne - ich wielkość nie zależy od masy substancji zawartej w układzie - p,T oraz wszystkie wielkości właściwe takie jak gęstość, stężenie

Praca (W) nazywamy przemiany energii w taki sposób, ze może ona być użyta do podniesienia w otoczeniu ciężaru na pewną wysokość. Praca w układzie termodynamicznym może wiązać się ze zmianą objętości układu, wówczas nazwana jest pracą objętościową, a gdy zachodzi bez zmiany objętości układu nazywana jest pracą nie objętościową.

Ciepłem Q nazywamy przeniesie energii następujące w wyniku zaistnienia pracy. Praca wykonana przez układ W=-pΔV ( układ który wykonuje prace traci energię)

Praca mechaniczna W W=FΔl

Sila F to ciśnienie razy pole powierzchni F=p*S

ΔV=SΔl to pole powierzchni razy przesunięcie ciała to przyrost objętości

W=+pΔV ( praca wykonywana na układzie , układ zyskuje energię)

Rozprężanie gazu ( p=const) praca wykonana przez układ W=-pΔV

Sprężanie gazu - praca wykonana na układzie W=+pΔV

Reakcje egzotermiczne - ciepło wydzielone do otoczenia

Reakcje endotermiczne - ciepło pobrane przez układ (rozpuszczanie azotanu amonu w wodzie)

Reakcje biegnące w jednym kierunku jako egzoenergiczne jest endotermiczny w przeciwnym kierunku.

2H₂+O₂ 2H₂O r. egzotermiczne

2H₂O 2H₂ + O₂ r. endotermiczne

Specjaliści od zagadnień interesują się gospodarką energetyczną organizmu ludzkiego, traktując organizm jako układ termodynamiczny. Zbudowano kalorymetry w których może się pomieścić człowiek, pozwalające ( w sposób nieniszczący) mierzyć bilans energetyczny. Przyjmujemy że w czasie doświadczenia osoba badana wykonuje 622kJ pracy na rowerze treningowym i traci 82kJ jako ciepło. Jaka jest zmiana energii wewnętrznej badanej osoby.

W=-622kJ

Q=-82kJ

ΔV=W+Q=-622kJ+(-82kJ)=-704kJ

Energia wewnętrzna zmniejszyła się o 704 kJ.

Pierwsza zasada termodynamiki

Przejście ciepła w pracę nie odbywa się bezpośrednio Q ΔU W

Ciepło w pracę i praca w ciepło przechodzi przez zmiany energii wewnętrznej.

Nie można zbudować perpetum mobile I rodzaju.

1. Tłok nieruchomy, izolacja termiczna , ciepło dostarczane ΔU=Q

2. Tłok ruchomy, sprężania adiabatyczne ( bez wymiany ciepła z otoczeniem) ΔU=W

3. Jednoczesne ogrzewanie i sprężanie ΔU=Q+W

Pierwsza zasada termodynamiki - jest sformułowaniem zasady zachodzenia energii dla układów termodynamicznych. Zasada stanowi podsumowanie rów ważności ciepła i pracy.

W 9

Ciepło - proces przekazywania energii z jednego ciała do drugiego (J)

Temperatura - wielkość fizyczna która jest wprost proporcjonalna do energii kinetycznej cząsteczek T=b^xEk , b- współczynnik proporcjonalności , zależy od liczby atomów wchodzących w skład cząsteczek danego ciała

Ciepło właściwe - ilość ciepła potrzebna do ogrzania lub ochłodzenia 1 kg ciała o 1K. C_w=Q/m *ΔT (J/kg*K)

Ciepło topnienia - ilość ciepła jaką należy dostarczyć aby przeprowadzić jednostkę masy danej substancji ze stanu stałego w ciekły. C_t= Q/m (J/kg)

Energia pochłaniania lub uwalniania w trakcie przemiany fazowe nazywa się ciepłem przemiany fazowej.

Ciepło krzepnięcia i topnienia wynosi mniej więcej 334kJ/kg

Ciepło parowania i skraplania wynosi mniej więcej 2260 kJ/kg

Q=C*m

Zasad bilansu cieplnego

Ilość ciepła (Q_G) jaka oddaje ciało o temp wyższej jest równe ilościowi ciepła Q_p jaką pobiera ciało o temp niższej. Q₀=Q_p

Wrzucenie ciała stałego do wody T_pc>T_pr

Q₀=C_wc*m*(T_pc-T_k)

Q₀- ilość ciepła jaką oddaje ciało stałe

C_wc- ciepło właściwe ciała stalego

m- masa ciała stałego

T_pc- temperatura początkowa ciała stałego

T_k- temp końcowa ciała stałego i wody

Q_p= C_ww*m_w*(T_k-T_pw)

Q_p- ilość ciepła jaką oddaje ciało stałe

C_ww- ciepło właściwe wody

m_w - masa wody

T_pw- temperatura początkowa wody

T_k- temperatura końcowa ciała stałego i wody

C_wc=C_ww

Wyznaczanie ciepła parowania C_p=C_s

Para wodna zmienia się w wodę i wydziela Q₁ Q₁ = m_p*C_p

Woda powstała z pary wodnej oddaje ciepło Q2 ochładzając się od temp 100°C

Q₂=m_p*C_ww(100 - t_k)

Całkowite ciepło oddane przez parę i wodę powstała z pary wodnej wynosi Q₀=(m_p*C_p+m_p*C_ww(100-t_k)

Ciepło oddane pobiera kalorymetr i woda w kalorymetrze Q_p=(m_w*C_ww+m_k*C_wk(t_k-t₀)

Q ₀=Q_p

Ruch ciepła

- ruch energii wewnętrznej pod wpływem różnicy temperatur

Ciepło = przechodząca energia

- przewodnictwo ( przewodzenie)

- konwekcja

- promieniowanie ( nie wymaga materii)

Przewodnictwo cieplne - przekazywanie energii kinetycznej cząsteczki q=λ* ΔT/Δx

q- strumień ciepła 9ilość ciepła przechodząca przez jednostkę powierzchni w jednostce czasu

λ- współczynnik przewodnictwa cieplnego w układzie stacjonarnym

q=λ* T_χ-T₁/l

λ wartości dla :

metali - 10J*m^-1*s^-1*k^-1 (srebro wyj. 10²)

cieczy - 10^-1 -//-

gazy - 10^-3 -//-

próżnia - 0

x- przewodnictwo temperaturowe charakteryzuje prędkość nagrzewania ciała

x=λ/c*e

c- ciepło właściwe

e- gęstość ciała

Pb:x- 2,5*10^-5 m²/s

Fe:x- 1,7 *10^-5 -//-

Gleba:x-10^-7 sucha, 10^-6 wilgotna

Konwekcja - jest jednym kilku mechanizmów transportu energii cieplnej ( wymiany ciepła)

Konwekcja swobodna ( naturalna) - ruch cieczy lub gazu wywołany różnicami gęstości materii

Konwekcja wymuszona - ruch cieczy lub gazu wywołany działaniem urządzeń wentylacyjnych , pomp

Ilość przekazywanego ciepła przez konwekcję zależy od szybkości ruchu płynu, dlatego w celu zwiększenia przekazywania ciepła w komputerach, chłodnicach stosuje się wentylatory zwiększające szybkość przepływu powietrza.

Przykłady ruchów konwekcyjnych: śreżoga - rozedrgane powietrze tworzy wrażenie mgiełki nad asfaltem gorący dzień, nad gazówką

Promieniowanie temperaturowe

Przenoszenie energii za pośrednictwem ruchu falowego

Ciało doskonale czarne- ciało pochłaniające całkowicie padające na nie promieniowanie elektromagnetyczne, niezależnie od temperatury tego ciała, kąta padania i widma padającego promieniowania i współczynnika pochłaniana równy 1 i współczynnik odbicia równy 0.

Ciało całkowicie białe - hipotetyczne ciało odbijające całkowicie padające na nie promieniowanie elektromagnetyczne, niezależnie od temperatury tego ciała, kąta padania i widma padającego promieniowania i współczynnika pochłaniana równy 0 i współczynnik odbicia równy 1.

---