Plyny - Fyzika

Plyny

Plyny představují jednu ze tří základních forem základního skupenství látek. Plyn je všude kolem nás, asi tím nejrozšířenějším plynem je vzduch, který dýcháme. Jedná se o jakousi směsici několika plynů, v nichž hraje zásadní úlohu právě kyslík - pro život nezbytný plyn.

Mezi základní charakteristiky plynů patří zejména fakt, že jednotlivé částice, ze kterých se plynné skupenství skládá, jsou poměrně daleko od sebe. Přestože se pohybují, tak vzhledem ke své vzdálenosti na sebe nepůsobí žádnými silami. Za zmínku ještě stojí, že čím je plyn více zahřátý, tím rychleji se jednotlivé částice pohybují.

Každý plyn může být charakterizován dvěma energiemi, jedná se sice o energii potenciální a energii kinetickou. Kinetická, nebo-li pohybová energie částic, je u plynů mnohem vyšší, než energie potenciální.    

Základní vlastnosti plynů

Plyny jsou charakterizovány určitými, pro ně typickými vlastnostmi, uvedeme si je v přehledu:

1. Plyny nemají svůj stálý tvar, tvar je proměnný a je spojován s nádobou, ve které jsou umístěny
2. Plyny nemají ani svůj objem, rozprostírají se vždy v celém objemu nádoby, ve které jsou umístěny
3. Plyny tedy nemají ani volný povrch, vyplňují celý prostor
4. Plyny jsou velice dobře stlačitelné, mnohem více než kapaliny
5. Plyny vedou elektrický proud jen za určitých okolností, obvykle při velmi vysokých teplotách, v normálních stavech se jedná o elektrické izolanty
6. V plynech se šíří teplo prouděním

Ideální a skutečný plyn

Stejně jako u kapalin, tak i v problematice plynů se setkáváme s určitým zjednodušením, které se hodí pro další, detailnější zkoumání plynů a také pro výpočty. Zjednodušení představuje model ideálního plynu. Ten nelze v praxi nikdy dosáhnout. Naproti tomu, v běžném životě se setkáváme s reálným, nebo-li skutečným plynem.

Základní vlastnosti ideálního plynu:

• Dokonale až nekonečně stlačitelný plyn
• Plyn bez vnitřního tření mezi jednotlivými částicemi

Základní vlastnosti reálného plynu

• Plyn je dobře stlačitelný, avšak pouze do určité míry
• Plyn má vnitřní tření mezi jednotlivými částicemi

Viskozita

Viskozita představuje tření. Jak již bylo řečeno, každý reálný plyn má určité vnitřní tření. To se odlišuje právě dle hodnoty viskozity, kterou najdeme například v tabulkách.

Jak si vnitřní tření plynu představit? Je třeba si uvědomit, že plyn se skládá z jednotlivých molekul, ty si můžeme představit zjednodušeně jako kuličky, ty se neustále a neuspořádaně pohybují. Čím vyšší teplotu plyn má, tím je rychlejší pohyb. Kuličky na sebe náhodně naráží a tím, jak se jejich, i když miniaturní plochy, dotýkají, dochází ke tření. To je tím menší, čím se kuličky plynu pohybují rychleji.

Plyn jako vodič světla a zvuku

Plyn tvoří okolní prostředí, je velmi důležitým vodičem zejména světla a zvuku. Přesvědčit se o tom můžeme každý den. Když mluvíme, zvuk se bez problémů šíří vzduchem, slova, věty a hlasy slyšíme na několik metrů. Ještě více toto vše vynikne u vodivosti světla. Uvědomme si, že náš důležitý světelný zdroj, kterým je Slunce, je neskutečně daleko, a přesto se plynným prostředím šíří světlo až na planetu Zemi.

Co u plynu měříme?

U plynů je možno zjišťovat celou řadu specifik. A to nejrůznějšími možnými způsoby. Základem je měření. Pokud máme alespoň nějaké veličiny naměřené, můžeme s použitím vhodných vzorců vypočítat i ostatní fyzikální veličiny pro plyny charakteristické.

A jaké jsou nejměřenější vlastnosti plynů?

1. Teplota

• Teplotu plynů měříme teploměrem, jedná se o proces, který provádíme v podstatě každý den. Když ráno vstáváme, určitě nás zajímá, kolik je venku stupňů, jak bychom se měli obléci. K měření teploty plynů se využívá teploměr, ten je dnes již k dispozici v mnoha provedeních, které se od sebe liší i svou konstrukcí, nejrozšířenější jsou teploměry, které jsou založeny na rtuťovém sloupci, kromě rtuti se využívá i líh, žádnou zvláštností již nejsou ani digitální teploměry. 

2. Vlhkost

• U plynů velmi často zkoumáme i jejich vlhkost, tato veličiny má velmi podstatný vliv na vývoj a potažmo i na předpověď počasí. Vlhkost vzduchu se měří vlhkoměrem.

3. Tlak

• Také tlak vzduchu hraje zásadní vývoj v problematice předpovědi počasí. Tlak vzduchu se měří speciálními barometry. Normální tlak vzduchu při hladině moře je 101 325 Pa. 

Základní vzorec

Podobně jako u pevných látek a kapalin, tak i u plynů je zaváděn základní vzorec, který vyjadřuje vztah mezi objemem plynů V, hmotností plynů m a hustotou plynů ρ. Jeho podoba je naprosto stejná, včetně jednotek. (hmotnost je udávána v kilogramech a jejich dílčích a násobných jednotkách, hustota potom v kilogramech na metr krychlový, případně v gramech na centimetr krychlový a objem potom v litrech, metrech čtverečných a dalších objemových jednotkách)

V = m / ρ

Př. 1: Určeme hmotnost vzduchu, který se nachází v místnosti o rozměrech 5 m x 6 m x 2 ,5 m víme-li, že hustota vzduch je 1,2 kg / m³

a = 5 m

b = 6 m

c = 2,5 m

ρ = 1,2 kg / m³

m = ?

V = m / ρ

m = V x ρ = a x b x c x ρ = 5 m x 6 m x 2,5 m x 1,2  kg / m³ = 90 kg

• Jedná se o jednoduchý příklad, v podstatě stačí pouze dosadit do vzorce s tím, že je potřeba si uvědomit, že nemáme zadaný objem místnosti, protože však víme, že místnost je tvaru kvádru, a známe všechny strany, vypočítáme snadno objem, který potom vynásobíme hustotou

Př. 2: Určeme hustotu plynu, který se nachází v uzavřené nádobě tvaru krychle, víme-li, že strana nádoby má 10 cm a hmotnost samostatné nádoby je 10 kg, s plynem potom 12 kg

a = 10 cm = 0,1 m

ρ = ?

m 1 kg

V = m / ρ

ρ = m / V = 1 kg / (0,1 m x 0,1 m x 0,1 m) = 1000 kg / m³

• Ze základního vzorce je třeba osamostatnit hustotu, dále je nutno převést centimetry na metry, abychom se nepletli s jednotkami, následně dosadíme do vzorce s tím, že musíme rozepsat objem, jedná se o objem krychle, u hmotnosti je zapotřebí vzít v úvahu pouze samostatnou hmotnost plynu, což je tedy 1 kg

� l�_ȮestParagraphCxSpFirst style='text-indent:-18.0pt;mso-list:l1 level1 lfo5'>1.      Pružná deformace

• Po vymizení působící síly se těleso vrátí do původního stavu

2. Tvárná deformace

• I po vymizení působící síly již zůstane těleso v novém změněném stavu

K deformaci tělesa dochází v závislosti působení vnějších sil, které vznikají z několika příčin:

• Působení tahu - dvě síly působí ven z tělesa (lano výtahu)
• Působení tlaku – dvě síly působí dovnitř tělesa (nosné pilíře)
• Působení ohybu – spodní vrstvy tělesa jsou deformovány tahem, horní vrstvy tělesa potom tlakem, střed zůstává zachován (most)
• Působení smyku – na horní a na dolní podstavu tělesa působí tečné síly, které způsobují vzájemné posunutí jednotlivých vrstev tělesa (nýt)
• Působení kroucení - na koncích tyče působí dvojice sil tak, že momenty působí proti sobě (vrták)

Hookův zákon

Deformaci tělesa popisuje Hookův zákon. Jedná se o poučku, která vyjadřuje závislost mezi relativním prodloužením a mechanickým napětím. Ten je dán při deformaci tahem nebo tlakem základním matematickým vztahem:

ε = σ / E,

kde ε je relativní (poměrné) prodloužení – jedná se o bezjednotkovou veličinu, σ je mechanické napětí vyjadřované v Pascalech (Pa) a E je modul pružnosti, který nalezneme pro danou látku v tabulkách, jeho jednotkou je Pascal (Pa).  

Př.1: Určeme relativní prodloužení ocele, která má modul pružnosti 210 GPa, pokud na ni působí mechanické napětí 420 kPa

ε = ?

σ = 420 kPa = 420 000 Pa

E = 210 GPa = 210 000 000 Pa

ε = σ / E = 420 000 Pa / 210 000 000 Pa = 0,02

• Jedná se o velmi jednoduchý příklad, kdy stačí pouze ve správně převedených základních jednotkách dosadit do Hookova zákona

Problematika Hookova zákona je mnohem složitější, poučka existuje pro každou možnou působící vnější sílu v trochu odlišné variantě, my jsme si uvedli pouze základní a nejjednoduší pro deformaci, která je vyvolána tlakem nebo tahem.