11) Změny skupenství látek
Tání a tuhnutí
Tání
Zahříváme-li těleso z krystalické látky (led, krystalky sody, kov, …) zvyšuje se jeho teplota a po dosažení teploty tání se pevná látka mění na
kapalinu téže teploty. Krystalická látka taje. Různé krystalické látky mají různou teplotu tání, která navíc závisí na vnějším tlaku, při němž tání probíhá.
Tabelované hodnoty se udávají při normálním tlaku a proto se nazývají normální teploty tání. Graf závislosti teploty t na čase je na obr. 59.
Pevné amorfní látky (vosk, sádlo, sklo, plasty, …) při zahřívání postupně měknou až se přemění v kapalinu (tj. tání probíhá mezi dvěma teplotami
a - viz graf na obr. 60). Nemají tedy žádnou určitou teplotu tání. Existují látky (dřevo, mramor, …), které se nemohou zahřát až na teplotu tání,
neboť již při nižších teplotách dochází k jejich rozkladu. Slitiny kovů tají při teplotě nižší než je průměr teplot, při nichž tají jednotlivé součásti slitiny.
Teplota tání ledu se snižuje rozpouštěním solí (posypeme-li solí v zimě led na chodníku, sníží se teplota tání ledu tak, že led i při okolní teplotě menší,
než je , roztaje).
Teplo, které přijme pevné těleso již zahřáté na teplotu tání, aby se změnilo na kapalinu téže teploty, se nazývá skupenské teplo tání .
Přitom předpokládáme, že nenastávají jiné přeměny energie a vnější tlak nad tající látkou je stálý. Skupenské teplo tání závisí nejen na látce, ale také
na jejím množství. Proto se zavádí měrné skupenské teplo tání , kde m je hmotnost tělesa z dané látky; .
Led má relativně velkou hodnotu měrného skupenského tepla tání, což má pozitivní důsledek v praxi: na jaře taje sníh pomalu, vzniklá voda se
stihne vsakovat či vypařovat a minimalizuje se tak vznik záplav.
Obr. 59 Obr. 60
Přijímá-li krystalická látka teplo, vzrůstá střední kinetická energie kmitavého pohybu částic. Částice zvětšují rozkmity, čímž se zvyšuje i střední
vzdálenost mezi nimi. Tím vzrůstá i střední potenciální energie částic. Při dosažení teploty tání nabývají kmity částic takových hodnot, že se poruší
vazba mezi částicemi mřížky - ta se rozpadá a látka tak taje. Vazebné síly mezi částicemi se pro různé látky liší, proto každá látka taje jen za určité
teploty a za určitého tlaku. Během tání krystalická látka sice přijímá teplo, ale nemění se střední kinetická energie částic (a tím se tedy nemění ani
teplota). Zvětšuje se však střední potenciální energie částic, což znamená, že při teplotě tání je vnitřní energie roztaveného tělesa větší než vnitřní
energie téhož tělesa v krystalickém stavu při téže teplotě. Roztaje-li všechna látka a přijímá-li další teplo, dochází opět k růstu střední kinetické energie
částic a tím se tedy zvětšuje teplota vzniklé kapaliny.
Chemicky čistá krystalická látka tedy taje za konstantní teploty. Má-li např. roztát kostka ledu, která má počáteční teplotu nižší jak teplotu tání
(za daného tlaku), je třeba led nejdříve ohřát na teplotu tání (dodat teplo ), pak jej roztát (dodat teplo -
během tání se ale nemění teplota ledu; teplo se přemění na energii nutnou k porušení pevných vazeb v ledu) a pak případně vzniklou vodu
z ledu ohřát (dodat další teplo ).
Tuhnutí
Ochlazujeme-li kapalinu vzniklou táním krystalické látky, mění se při teplotě tuhnutí v pevné těleso téže teploty. Hovoříme o tuhnutí látky. Pro
chemicky čisté látky je teplota tuhnutí látky rovna teplotě tání za téhož vnějšího tlaku.
Při tuhnutí nevzniká pevné skupenství okamžitě. Dosáhne-li kapalina teploty tuhnutí, začnou se v kapalině vytvářet vlivem vazebných sil
kondenzační jádra (zárodky). K nim se postupně připojují a pravidelně uspořádávají další částice látky. V tavenině tak vzniká při krystalizaci soustava
volně se pohybujících krystalků nepravidelného tvaru. V okamžiku, kdy všechna látka ztuhne, se krystalky vzájemně dotýkají a vytvářejí zrna. Tímto
způsobem vzniká krystalizací polykrystalická látka, jejíž vlastnosti jsou ovlivněny velikostí zrn.
Pokud se v tavenině vytvoří pouze jeden zárodek, k němuž se postupně připojují další částice látky, vzniká monokrystal. V technické přípravě
monokrystalů se jako zárodek používá malý monokrystal téže látky, který se vnoří do taveniny. Táhne-li se pak zárodečný krystal pomalu z taveniny
a zajistí-li se dostatečný odvod energie na rozhraní pevného a kapalného skupenství, vyroste z taveniny monokrystal větších rozměrů.
Při tuhnutí čisté látky se často stává, že zárodky pevného skupenství se vytvoří až za teploty menší, než je teplota tuhnutí dané látky. Kapalinu,
která má nižší teplotu, než je teplota tuhnutí dané látky, nazýváme podchlazená kapalina (přechlazená kapalina). Přechlazenou kapalinu lze pak
převést do pevného skupenství vhozením několika krystalků dané pevné látky, čímž přejde rychle v pevnou látku a teplota vzroste na teplotu tuhnutí.
Někdy stačí též prudce trhnout nádobou s danou kapalinou.
Při tuhnutí odevzdává kapalina svému okolí skupenské teplo tuhnutí, které je stejné jako skupenské teplo tání pevného tělesa z téže látky
a stejné hmotnosti. Samozřejmě, že také měrné skupenské teplo tuhnutí je u téže látky stejné jako měrné skupenské teplo tání.
Změna objemu těles při tání a tuhnutí, závislost teploty tání na tlaku
Většina látek při tání zvětšuje svůj objem a při tuhnutí ho zmenšuje. Existují ale látky (led, antimon, bismut, některé slitiny, …), které při tání svůj
objem zmenšují a při tuhnutí zvětšují.
U ledu je relativní zvětšení objemu největší - asi 9 %, což souvisí s jeho krystalovou strukturou. Krystalová mřížka ledu je prostoupena
prostornými kanálky. Při stání se krystalová mřížka bortí a volný prostor postupně zaplňují molekuly vody. Odtud je tedy zřejmé, že neupořádanému
rozložení molekul vody odpovídá menší objem než uspořádanému rozložení v krystalové mřížce ledu.
Teplota tání krystalické látky závisí také na vnějším tlaku. U látek, u nichž je tání doprovázeno zvětšením objemu, roste při zvýšení tlaku také
teplota tání. Je-li tání doprovázeno zmenšením objemu, pak se při zvýšení vnějšího tlaku sníží teplota tání látky. U ledu způsobí zvýšení tlaku o
pokles teploty o . Tento jev lze demonstrovat regelací ledu (znovuzamrzáním ledu). Pomocí tohoto jevu bývá často vysvětlována
kluzkost ledu (při bruslení, …): v důsledku zvýšeného tlaku klesá teplota tání a led částečně odtává. Přesnější pokusy ukázaly, že tenká vrstva vody
podmiňující kluzkost ledu vzniká při tření brusle o led - konáním práce se zvětšuje vnitřní energie tenké povrchové vrstvy ledu a tak led na povrchu
taje.
Zvětšení objemu při tuhnutí vody má značný význam v přírodě. Led má menší hustotu než voda a proto plave na vodě a svou malou tepelnou
vodivostí zabraňuje zamrzání vody do větších hloubek. Led vzniklý při zamrznutí způsobuje také rozrušování skal, praskání zdiva, …
Sublimace a desublimace
Přeměna látky z pevného skupenství přímo ve skupenství plynné se nazývá sublimace. Za běžného atmosférického tlaku sublimuje např. jód,
kafr, pevný (suchý led), led, sníh, …, stejně jako vonící či páchnoucí látky. Měrné skupenské teplo sublimace je definováno takto: ,
kde je skupenské teplo sublimace přijaté látkou o hmotnosti m při její sublimaci za dané teploty. Měrné skupenské teplo sublimace závisí na teplotě,
za níž látka sublimuje. Je-li sublimující látka dostatečné hmotnosti v uzavřené nádobě, sublimuje tak dlouho, až se vytvoří rovnovážný stav mezi
pevným skupenstvím a vzniklou párou. Objemy pevné látky a páry se dále již nemění, konstantní zůstává tlak páry a teplota soustavy.
Přeměna látky ze skupenství plynného přímo ve skupenství pevné se nazývá desublimace (např. vytváření jinovatky z vodní páry za teploty
menší než je ).
Vypařování, var a kondenzace
Vypařování, kapalnění
VYPAŘOVÁNÍ = děj, při kterém látka přechází ze skupenství kapalného do skupenství plynného
základní vlastnosti:
1. probíhá neustále
2. probíhá pouze na volném povrchu kapaliny
Abychom kapalinu hmotnosti m přeměnili na plynnou látku, musí kapalina přijmout skupenské teplo vypařování (L
V
)
l
V
........ měrné skupenské teplo vypařování (s rostoucí teplotou klesá)
VAR = zvláštní druh vypařování
základní vlastnosti:
1. vypařování probíhá z celého objemu
2. látka musí dosáhnout určité teploty - TEPLOTY VARU (s rostoucím vnějším tlakem teplota varu vzrůstá - např. vaření vody na horách)
pokus: var za sníženého tlaku (vývěva, kádinka s teplou vodou, teploměr)
měrné skupenské teplo varu = měrnému skupenskému teplu vypařování při teplotě varu
KAPALNĚNÍ (KONDENZACE) = fyzikální děj, při kterém látka přechází ze skupenství plynného do skupenství kapalného
jedná se o opačný děj k vypařování
Abychom plyn hmotnosti m přeměnili na kapalinu, musí plyn odevzdat okolí teplo, které nazýváme skupenské teplo kondenzační
Měrné skupenské teplo kondenzační je rovno měrnému skupenskému teplu vypařování téže látky při téže teplotě.
Vybrané hodnoty pro vodu/led:
Měrná tepelná kapacita (voda): 4 180 J.kg
-1
.K
-1
Měrná tepelná kapacita (led): 2 100 J.kg
-1
.K
-1
Měrné skupenské teplo tání: 334 kJ.kg
-1
Měrné skupenské teplo vypařování: 2 260 kJ.kg
-1
Vypařování a kapalnění
Ze zkušeností víme, že objem kapaliny v otevřené nádobě se s časem zmenšuje, neboť část kapaliny se mění v páru. Tento děj se nazývá
vypařování. Na rozdíl od tání probíhá vypařování z volného povrchu kapaliny za každé teploty, při níž kapalné skupenství existuje. Různé kapaliny se
vypařují různě rychle (nejrychleji např. éter, pak líh, voda, rtuť, …). Rychlost vypařování se zvýší, zvýší-li se teplota kapaliny, zvětší-li se obsah
volného povrchu a odstraňují-li se vzniklé páry nad kapalinou (odsáváním, foukáním, větrem, …).
Tohle vše známe z praxe: jíme-li např. teplou polévku, „foukáme“ si jí. Tím odstraňujeme z prostoru nad volným povrchem polévky páry. Další
vypařování (a tedy i chladnutí polévky) může probíhat rychleji.
Chceme-li kapalinu hmotnosti m přeměnit v páru téže teploty, musí kapalina přijmout skupenské teplo vypařování . Měrné skupenské
teplo vypařování se definuje vztahem . S rostoucí teplotou kapaliny klesá měrné skupenské teplo vypařování.
Zahříváme-li kapalinu, pozorujeme, že při dosažení určité teploty za daného tlaku se uvnitř kapaliny vytvářejí bubliny páry. Bubliny postupně
zvětšují svůj objem a vystupují k volnému povrchu kapaliny. Tento zvláštní případ vypařování se nazývá var. Při varu se kapalina nevypařuje jen na
povrchu, ale také uvnitř. Teplota, při níž za daného (resp. normálního) tlaku nastává var kapaliny, se nazývá (normální) teplota varu . Teplota
varu je závislá na vnějším tlaku - s rostoucím tlakem se zvětšuje. Tohoto jevu se využívá v praxi: varu za zvýšeného tlaku se používá při sterilizaci
chirurgických nástrojů, výrobě papíru, vaření v tlakovém hrnci, …; var za sníženého tlaku se využívá při výrobě sirupů, práškového mléka, …
Měrné skupenské teplo varu se rovná měrnému skupenskému teplu vypařování při teplotě varu kapaliny.
Poznámka: Dodané skupenské teplo varu je podle 1. termodynamického zákona rovno přírůstku vnitřní energie páry a práci, kterou pára vykoná při
zvětšení svého objemu vůči objemu kapaliny. Vykonaná práce je ale většinou podstatně menší než přírůstek vnitřní energie páry, takže ji zpravidla
neuvažujeme.
Molekuly kapaliny konají tepelný pohyb. Mají-li některé molekuly na volném povrchu kapaliny takovou energii, že jsou schopny překonat síly
poutající je k ostatním molekulám, pak mohou uniknout do prostoru nad kapalinou a vytvoří páru. Je-li volný povrch kapaliny ve styku se vzduchem,
difunduje vzniklá pára do okolí. Některé molekuly páry se v důsledku tepelného pohybu vracejí zpět do kapaliny. Počet těchto vracejících se molekul je
při vypařování kapaliny v otevřené nádobě vždy menší než počet molekul, které ve čase unikají z kapaliny. Tím tedy ubývá kapaliny a zvětšuje se
hmotnost páry.
Vzhledem k tomu, že kapalinu při vypařování opouštění ty nejrychlejší molekuly, snižuje se střední kinetická energie molekul kapaliny a tím
i teplota. Teplota vzniklé páry je však rovna teplotě kapaliny, protože molekuly při opuštění kapaliny ztrácejí část své kinetické energie na úkor
překonání přitažlivých sil. Mají ale větší energii potenciální. Z toho důvodu je vnitřní energie páry dané hmotnosti větší než vnitřní energie kapaliny téže
hmotnosti a teploty.
Děj opačný k vypařování, se nazývá kapalnění (kondenzace), při němž pára v důsledku zmenšování svého objemu nebo snížením teploty
kapalní. Při tomto ději se uvolňuje skupenské teplo kondenzační. Měrné skupenské teplo kondenzační je rovno měrnému skupenskému teplu
vypařování téže látky při stejné teplotě.
Kapalnění může nastat na povrchu kapaliny, na povrchu pevné látky (např. poklička na hrnci), nebo ve volném prostoru (např. oblaka). Vytváření
kapek, které postupně rostou, usnadňují drobná zrnka prachu nebo elektricky nabité částice (tzv. kondenzační jádra).
Skupenská tepla
Tepelná kapacita
C ... tepelná kapacita
c ... měrná tepelná kapacita
m ... hmotnost látky
Skupenské teplo tání/tuhnutí
L
t
... skupenské teplo tání
l
t
... měrná skupenské teplo tání
m ... hmotnost látky
Skupenské teplo vypařování/kondenzace
L
v
... skupenské teplo vypařování
l
v
... měrná skupenské teplo vypařování
m ... hmotnost látky
Skupenské teplo sublimace/desublimace
L
s
... skupenské teplo sublimace
l
s
... měrná skupenské teplo sublimace
m ... hmotnost látky
Pára sytá a přehřátá
Sytá a přehřátá pára
Vypařování kapaliny v uzavřené nádobě - průběh děje
1. počet molekul opouštějících povrch kapaliny je větší než počet molekul, které se za stejnou dobu do kapaliny vracejí → objem kapaliny se zmenšuje a roste tlak a
hustota páry nad kapalinou
2. po určité době se počty vracejících se a opouštějících molekul kapalinu vyrovnají → objem kapaliny a tlak a hustota páry se nemění (za zachování vnějších
podmínek) → kapalina a pára jsou v rovnovážném stavu (dynamické rovnováze)
SYTÁ PÁRA = pára, která je v rovnovážném stavu se svou kapalinou
Vlastnosti TLAKU SYTÉ PÁRY:
Tlak syté páry nezávisí při stálé teplotě na objemu páry.
vysvětlení: změna objemu prostoru nad kapalinou vyvolá opětovné ustanovení dynamické rovnováhy
izotermické zvětšení objemu → vypaření více par
izotermické zmenšení objemu → kondenzace par
Tlak syté páry nad kapalinou s rostoucí teplotou roste
vysvětlení: zvýšení teploty kapaliny → zvýšení její vnitřní energie → další vypaření kapaliny → zvýšení hustoty páry → zvýšení střední rychlosti molekul páry →
zvýšení tlaku
KŘIVKA SYTÉ PÁRY = graf závislosti tlaku syté páry na teplotě
- každý bod křivky vyjadřuje rovnovážný stav mezi kapalinou a sytou párou
- pro různé látky různý průběh
bod K ... kritický bod bod A - příští hodina
p
K
... kritický tlak
T
K
... kritická teplota
p
K
a T
K
charakteristické konstanty pro každou látku
např pro vodu: T
K
= 647,3 K, p
K
= 22,13 MPa
v bodě K je hustota kapaliny rovna hustotě syté páry a mizí rozhraní mezi kapalinou a sytou párou → stejnorodá látka
VÝZNAM KŘIVKY SYTÝCH PAR
získání teploty varu kapaliny při daném vnějším tlaku
PŘEHŘÁTÁ PÁRA = pára, která má nižší tlak a hustotu než sytá pára téže teploty
VZNIK PŘEHŘÁTÉ PÁRY:
zahříváním syté páry bez přítomnosti kapaliny při konstantním tlaku (modrá šipka)
zvětšením objemu syté páry bez přítomnosti kapaliny při konstantní teplotě (červená šipka)
Sytá pára
Vypařuje-li se kapalina v uzavřené nádobě, je na počátku děje počet molekul opouštějících povrch kapaliny větší než počet molekul, které se do
kapaliny vrací za stejnou dobu zpět. Objem kapaliny se zmenšuje, současně se zvětšuje hustota a tlak páry nad kapalinou. Po jisté době se ustaví
rovnováha: počet molekul opouštějících kapalinu je stejný jako počet molekul, které se vracejí zpět, objemy kapaliny a páry se tedy nemění, stálý
zůstává tlak i teplota soustavy. Pára, která je v rovnovážném stavu se svou kapalinou, se nazývá sytá pára.
Sytá pára vzniká nad volným povrchem chladnoucí kávy, v PET láhvi s minerálkou, …
Tlak syté páry nezávisí při stálé teplotě na objemu páry. Zvětšíme-li (zmenšíme-li) izotermicky objem prostoru nad povrchem kapaliny,
pak se část kapaliny vypaří (zkapalní) a opět se vytvoří rovnovážný stav. Vzhledem k tomu, že tlak syté páry nezávisí na jejím objemu, neplatí pro
sytou páru stavová rovnice pro ideální plyn, od něhož se sytá pára podstatně liší.
Tlak syté páry nad kapalinou s rostoucí teplotou roste. Zvýšíme-li totiž teplotu kapaliny a její syté páry, zvětší se vnitřní energie soustavy.
Další část kapaliny se vypaří, čímž vzroste hustota molekul syté páry a současně se zvětší střední rychlost jejích molekul. Tyto změny způsobí vzrůst
tlaku syté páry.
Graf závislosti tlaku syté páry na teplotě se nazývá křivka syté páry (obr. 62). Každý její bod odpovídá jednomu stavu, kdy je sytá pára a její
kapalina v rovnovážném stavu, který je určen teplotou T a tlakem p. Počátečnímu bodu A odpovídá nejmenší možná teplota a tlak, při kterých
existuje kapalina a její sytá pára v rovnovážném stavu. Teplota je teplota tuhnutí při tlaku . Při zvětšování teploty rovnovážné soustavy
tvořené kapalinou a její sytou párou roste hustota páry, hustota kapaliny klesá. Rozhraní mezi kapalinou a její sytou párou je stále zřetelné. Při
kritické teplotě je hustota syté páry rovna hustotě kapaliny, mezi kapalinou a její sytou párou mizí rozhraní a látka se stává stejnorodou (pro
vodu je ). Při teplotách vyšších než je teplota kritická látka neexistuje v kapalném stavu. Křivka syté páry tedy končí v bodě K.
Obr. 62
Bod K se nazývá kritický bod a představuje kritický stav látky, který je popsán kritickou teplotou , kritickým tlakem a kritickým objemem
. Z křivky syté páry je možné získat teplotu varu kapaliny při daném tlaku.
Při varu se uvnitř kapaliny vytvářejí bubliny syté páry, které zvětšují svůj objem a vystupují k volnému povrchu kapaliny. Tento děj nastává, když
je tlak syté páry roven vnějšímu tlaku. Zvýší-li se tlak nad volným povrchem, nastane var až po takovém zvýšení teploty kapaliny, že se tlak syté
páry uvnitř bublin vyrovná vnějšímu tlaku. Teplota varu kapaliny tedy roste s rostoucím vnějším tlakem nad kapalinou.
Kritické poměry
Fázový diagram
Všechna tři skupenství, jejich rovnovážné stavy a jednotlivé změny skupenství lze znázornit a popsat v tzv. fázovém diagramu dané látky.
Fázový diagram je zobrazen na obr. 63 a se skládá ze tří křivek (křivka syté páry), (křivka tání) a (křivka sublimace).
Body křivky tání znázorňují různé rovnovážné stavy, v nichž se vyskytuje pevné a kapalné skupenství uvažované látky. Zároveň ukazuje
graf závislosti teploty tání na vnějším tlaku. Začíná v bodě A (jako křivka syté páry), v němž je pevné a kapalné skupenství téže látky ještě
v rovnováze. Křivka není ukončena - nejsou známy experimenty, které by na její konec ukazovaly.
Každý bod sublimační křivky znázorňuje stav látky, při němž jsou vede sebe v rovnovážném stavu pevná látka a její sytá pára. Křivka
směřuje do počátku soustavy souřadnic a končí v bodě A.
Všechny tři křivky se stýkají v jednom bodě - v bodě A, který se nazývá trojný bod a ve fázovém diagramu znázorňuje rovnovážný stav
pevného, kapalného a plynného skupenství téže látky. Např. při teplotě a tlaku existují v rovnovážném stavu současně
led, voda a sytá vodní pára. Teplota trojného bodu vody je základní teplotou termodynamické teplotní stupnice.
Křivky , a rozdělují rovinu fázového diagramu na tři oblasti - I., II., III.:
1. oblast I. znázorňuje stav látky v pevném skupenství
2. oblast II. znázorňuje stav látky v kapalném skupenství
3. oblast III. znázorňují různé rovnovážné stavy plynného skupenství, které má nižší tlak než sytá pára téže teploty. Toto plynné
skupenství nazýváme přehřátá pára.
Přehřátá pára může vzniknout ze syté páry dvěma základními způsoby:
1. zvětšením objemu syté páry bez přítomnosti kapaliny (což je spojeno s poklesem tlaku)
2. zahříváním syté páry bez přítomnosti kapaliny
Přehřátá pára je tedy pára, která má nižší tlak a hustotu než sytá pára téže teploty. Přehřátou páru lze považovat za ideální plyn tím spíše, čím
více se její stav liší od stavu syté páry.
Přechod z jedné oblasti do druhé ve fázovém diagramu protnutím jedné z křivek , nebo představuje vždy změnu skupenství, během níž
se vytvoří rozhraní mezi jednotlivými skupenstvími. Na obr. 63 je zobrazen bod P, který představuje rovnovážný stav soustavy při teplotě vyšší než je
teplota kritická . Má-li být látka v tomto stavu zkapalněna, musí být nejprve ochlazena (většinou adiabatickou expanzí) na teplotu nižší, než je
teplota kritická, a pak může teprve proběhnout komprese.
Kromě změny skupenství, kdy je tato změna přímo „vidět“, lze ale také uskutečnit takový přechod z plynného skupenství v kapalné (a zpět),
během něhož se nikdy nevytvoří rozhraní mezi plynem a kapalinou a látka je stále stejnorodá. Tento děj lze realizovat tak, že látku, která je ve stavu
P, nejprve izotermicky stlačíme tak, až látka dosáhne tlaku vyššího než je tlak kritický. Následuje izobarické ochlazení, během něhož nelze rozhodnout,
v jakém skupenství se látka nachází (je stále stejnorodá), ale stále se zvyšuje hustota látky. Izotermickým přechodem dosáhneme snížení tlaku
kapaliny pod hodnotu kritického tlaku.
Obr. 63
Voda v atmosféře
Vodní pára v atmosféře
Vodní pára - vzniká vypařováním vodních ploch na povrchu Země
Hmotnost vodní páry v daném místě na Zemi závisí
na roční době
na samotném místě
Veličiny popisující aktuální stav vodní páry v daném místě na Zemi:
ABSOLUTNÍ VLHKOST VZDUCHU (při dané teplotě) - Φ
jednotka: kg / m
3
V ... objem vzduchu obsahující vodní páru
m ... hmotnost vodní páry
Vodní pára je v ovzduší párou přehřátou.
Jestliže se za určitých podmínek (další vypaření vody) stane párou sytou, potom Φ dosahuje maximální hodnoty (Φ
m
)
RELATIVNÍ VLHKOST VZDUCHU - φ
uvádí se v procentech
vyjadřuje, jak se stav vodní páry obsažené ve vzduchu liší od stavu syté vodní páry
Běžně používané hodnoty φ:
suchý vzduch .......... φ = 0 %
vzduch zcela nasycený vodní párou .......... φ = 100 %
život a pracovní schopnosti člověka .......... φ = 50 % - 70 %
VLHKOMĚR (vlasový)
zařízení sloužící k měření relativní vlhkosti vzduchu
princip: lidský vlas mění v závislosti na vlhkosti vzduchu svou délku
TEPLOTA ROSNÉHO BODU (t
r
)
= teplota, při níž se přehřátá vodní pára ve vzduchu mění v sytou páru téže teploty
je-li t
r
> 0 potom vzniká rosa nebo mlha
je-li t
r
< 0 potom vzniká jinovatka nebo sníh
+++ Využití +++
Chladící stroj a tepelné čerpadlo
1) CHLADÍCÍ STROJ (chladnička, mraznička, chladící box)
obecný princip činnosti:
vypařování chladící látky za sníženého tlaku, které způsobuje odebírání tepla z chladícího prostoru
obecné schéma:
Část A (červená barva) - teplá část
teplo se odevzdává okolí
Část B (modrá část) - studená část
teplo se odebírá z ochlazované oblasti
3 - Výparník
4 - Kompresor
1 - Kondenzátor
2 - Expanzní ventil
Používané chladící látky:
R 600a - Izobutan
R 134a - měkký freon
KOMPRESOROVÁ LEDNIČKA
Základní části:
Výparník
vypařuje se zde chladící látka při tlaku řádově 10
5
Pa a teplotě -15°C
Kompresor
nasaje páru z výparníku a stlačí jí na tlak řádově 10
6
Pa a zahřeje ji na teplotu přibližně 30°C
Kondenzátor (chladič)
stlačená a zahřátá pára z kompresoru zde tepelnou výměnou předává teplo do okolí chladnějšímu vzduchu
pára zde kondenzuje (kapalní) a je opět přechází do výparníku a celý postup se opakuje
Účinnost celého cyklu vyjadřuje tzv. chladící faktor (τ
ch
) tau
(Q ... teplo přijaté z prostoru chladničky, W ... práce vykonaná kompresorem)
Další způsoby chlazení ledniček:
ABSORPČNÍ LEDNIČKA
ADSORPČNÍ LEDNIČKA
LEDNIČKA NA BÁZI PELTIEROVA ČLÁNKU
2) TEPELNÉ ČERPADLO
obecný princip činnosti:
z okolí se odebírá teplo, které se potom odevzdává do vytápěné části
obecné schéma: (obdobné jako u chladícího stroje)
Chladivo v plynném stavu je stlačeno kompresorem (4) a poté vpuštěno do kondenzátoru (1). Zde odevzdá
své skupenské teplo. Zkondenzované chladivo projde expanzní tryskou (2) do výparníku (3), kde
skupenské teplo (při nižším tlaku a teplotě) přijme a odpaří se. Poté opět pokračuje do kompresoru a
cyklus se opakuje.
Účinnost čerpadla vyjadřuje tzv. topný faktor (τ
c
)
Q ... teplo odevzdané do vytápěné budovy
W ... práce vykonaná kompresorem
Rozdělení tepelných čerpadel: (první slovo = zdroj získávání energie, druhé slovo = látka, vytápějící objekt)
země - voda (plocha)
země - voda (vrt)
země - voda (vodní plocha)
voda - voda
vzduch - vzduch
vzduch - voda
Chladnička
Většina chladících zařízení využívá skutečnosti, že k vypaření kapaliny je nutné jí dodat určité teplo (skupenské teplo vypařování). Kapalina, která
se používá v chladicích zařízeních jako pracovní médium (tzv. chladivo), přitom toto teplo odebírá svému okolí - prostoru, který má být ochlazen.
Obr. 61
Domácí chladnička a mraznička (obr. 61) je stroj určený k přenosu tepla z vnitřního prostoru chladničky (resp. mrazničky) do okolí. Teplo se
přenáší chladící kapalinou s nízkým bodem varu (zhruba při atmosférickém tlaku). Donedávna se používalo jako chladící kapaliny chlorovaných
a fluorovaných uhlovodíků (CFC). Tyto sloučeniny ale katalyzují kromě jiného i odbourávání ozonu v horních vrstvách atmosféry. Proto se začaly
nahrazovat méně škodlivými hydrogenovanými CFC, které se rozkládají dříve než dosáhnou výšky, kde je ozonová vrstva.
Vzhledem k tomu, že chladící kapalina přechází během svého pohybu v uzavřeném chladícím okruhu chladničky z kapalného stavu do plynného
stavu a zase zpět, je z fyzikálního hlediska přesnější používat termín chladící tekutina.
Chladící tekutina je hnána kompresorem trubkou ve tvaru smyčky vedené okolo chladničky a po její zadní stěně. Cyklus začíná s chladící tekutinou
ve formě nízkotlaké páry. Ta vstupuje do kompresoru a v něm se adiabaticky stlačuje na teplotu vyšší, než je teplota okolí chladničky. Ohřátá pára
vycházející z kompresoru se ochlazuje v chladících závitech na zadní stěně chladničky. Tady odevzdá pára teplo do okolního vzduchu a kondenzuje na
kapalinu.
Při kondenzaci páry na kapalinu musí pára odevzdat část své vnitřní energie (tzv. skupenské teplo kondenzační) okolí. Molekuly páry se musí
„uklidnit“, aby mohly vytvořit kapalinu.
Kondenzaci na kapalinu napomáhá i vysoký tlak, pod kterým tekutina v trubkách proudí. Zkondenzovaná kapalina pak pod tlakem prochází
expanzním ventilem do výparníku, který je v chlazeném prostoru chladničky. Z výparníku kompresor intenzivně odsává páry, které nad kapalinou
vznikají. To vede k intenzivnějšímu vypařování kapaliny a k odebírání tepla (skupenského tepla kondenzačního) z prostoru výparníku.
Odvádění par z prostoru nad kapalinou zintenzivňuje vypařování proto, že se molekuly páry unikající z kapaliny „nemusí tísnit“ v prostoru nad
kapalinou s molekulami již vypařenými. (To známe všichni z praxe, když „si foukáme“ horkou polévku.)
Odpařování kapaliny je doprovázeno odebíráním tepla z okolního prostoru proto, že molekuly kapaliny musí získat větší energii, než mají
v kapalině, aby se mohly od kapaliny odpoutat.
Teplota kapaliny v trubkách v prostrou výparníku proto klesá.
Teplo, které odebírá kapalina z prostoru výparníku, se totiž mění na energii, kterou potřebují molekuly kapaliny k vypaření (tj. k „odtržení“ od
kapaliny). Proto se kapalina, která se zatím v trubkách nevypařila, ochlazuje.
Pára, která se v trubkách ve výparníku vypařila, má nižší teplotu, než je teplota okolního prostoru (výparníku). Proto pára absorbuje teplo
z prostoru výparníku a ohřívá se. Z prostoru výparníku tak odebírá teplo a ochlazuje vnitřní prostory chladničky až na teplotu . Ohřátá pára se
vrací do kompresoru a celý cyklus se opakuje.
Kompresor musí udržovat před expanzním ventilem tlak až 6,5krát vyšší než je atmosférický tlak a ve výparníku asi 2,5krát vyšší než
atmosférický, má-li být vnitřek chladničky chlazen na a v místnosti je . Chladič za skříní chladničky je ovšem teplejší, proto je nejvyšší tlak
až 10ti násobek atmosférického tlaku (tj. tlak přibližně 1 MPa). Kompresor je přitom schopen stlačit tekutinu až na 3 MPa, takže pracuje
s dostatečnou rezervou.
Konvekční proudy pak přenášejí studený vzduch od studených trubek vnitřkem chladničky a udržují jej na teplotě o něco málo větší než .
Vnitřní teplota se reguluje termostatem, který se skládá z uzavřené, vzduchem naplněné trubice. Jak se vzduch uvnitř chladničky (a tedy i v této
trubici) ohřeje, začne se rozpínat a roztahovat maličký měch. Tímto pohybem se spíná elektrický přepínač, který zapíná kompresor. Chladící skříň je
vystlána polyuretanovou pěnou, která funguje jako izolace i jako mechanická opora skříně.
Kompresor domácích chladniček je spojen v jeden hermeticky uzavřený celek spolu s motorem. Toto uspořádání má několik výhod:
1. není potřeba žádné speciální těsnění pro přechod hřídele motoru do kompresoru;
2. chladivo částečně chladí i motor;
3. hermetické uzavření systému zaručuje, že náplň chladiva (zhruba 100 g) vydrží v chladničce několik desítek let beze změny.
