Viszkozitás lamináris (réteges) áramlás: minden réteget a falhoz közelebbi szomszédja fékez, a faltól távolabbi szomszédja gyorsít TV a két szomszédos.

Az előadások a következő témára: "Viszkozitás lamináris (réteges) áramlás: minden réteget a falhoz közelebbi szomszédja fékez, a faltól távolabbi szomszédja gyorsít TV a két szomszédos."— Előadás másolata:

1 Viszkozitás lamináris (réteges) áramlás: minden réteget a falhoz közelebbi szomszédja fékez, a faltól távolabbi szomszédja gyorsít TV a két szomszédos réteg között fellépő az F erő nagysága egyenesen arányos (1) a rétegek A érintkezési felületével és a (2) dv x /dy sebességgradiens nagyságával DEF  arányossági tényezőt viszkozitásnak nevezzük. SI mértékegysége: Pa.s (pascal.másodperc) Régi, még használt mértékegysége: 1 poise = 1 g cm ‑ 1 s ‑ 1 = 0,1 Pa s 1 x

2 Viszkozitás értelmezése A hőmozgás következtében az áramlásra merőleges irányban a szomszédos rétegekből kölcsönösen részecskék lépnek át a másik rétegbe. Ha a kisebb áramlási sebességű rétegbe nagyobb sebességű részecskék kerülnek  a réteg impulzust kap nagy impulzustranszport = nagy viszkozitás a hőmérséklet növelésével (T  ) gázok viszkozitása növekszik folyadékok viszkozitása csökken. 2 „a folyadéknak nagy a sűrűsége” hétköznapi értelmezés: lassú folyású folyadék tudományos szóhasználat: nagy tömeg esik egy térfogategységre (pl. g/cm 3 ) víz sűrűsége  = 1,00 g/cm 3 méz sűrűsége  = 1,42 g/cm 3 víz viszkozitása  = 8,90 × 10 −4 Pa s méz viszkozitása  = 10,0 Pa s

3 Stokes-féle ellenállástörvény Stokes ‑ féle ellenállástörvény Viszkózus folyadékban mozgó részecskékre közegellenállási erő hat. Gömb alakú részecskék érvényes a Stokes ‑ féle ellenállástörvény: F mozgó részecskére ható közegellenállási erő  viszkozitás r gömb sugara v gömb sebessége 3 Sir George Gabriel Stokes (1819 –1903) angol matematikus és fizikus

4 Diffúzió, konvekció, anyagforrás DEF diffúzió: egy anyag vándorlása a magasabb koncentrációjú helyről az alacsonyabb koncentrációjú hely felé a közeg makroszkopikus áramlása nélkül 4 DEF anyagok forrása és nyelői: anyag megjelenése egy rendszerben, például kémiai reakciók miatt f(x,c,t) egységnyi térfogatban, időegység keletkező vagy eltűnő anyagmennyiség. A következőkben az egyszerűség kedvéért a folyamatokat csak az x-koordináta mentén vizsgáljuk. Hasonló eredményeket kapnánk 2 illetve 3 térbeli dimenzióban is. DEF konvekció: egy anyag vándorlása, mert a közeg makroszkopikus áramlása magával sodorja

5 Diffúziós áramsűrűség - Fick I. törvénye DEF diffúziós áramsűrűség az az anyagmennyiség, amely a diffúzió irányára merőleges, egységnyi felületen időegység alatt áthalad [mol m -2 s -1 ] TV Fick I. törvénye: a J d diffúziós áramsűrűség arányos a diffundáló anyag koncentrációjának térbeli gradiensével: DEF a D > 0 arányossági tényező a diffúziós együttható negatív előjelre azért van szükség, mert J d pozitív,  c/  x negatív (csökken a koncentráció jobbfelé) D pozitív (így definiáltuk)  a diffúzió a csökkenő koncentráció irányába megy 5 Adolf Eugen Fick (1829-1901) német orvos (nem ő találta fel a kontaktlencsét!)

6 Kolloidika valódi oldat – – makroszkopikus részecske 1 nm – kolloid – 500 nm (agyag 2000 nm – lemezkék)) Diszperz rendszer, (talaj, köd, füst, csapadék) Makromolekula, (élőlények, humusz, műanyagok) Molekula asszociátumok (mosószerek, kolloidstabilitás) Felületi jelenségek (nedvesedés, habzás, adszorpció) Κόλλα = enyv

7 A diszpergált fázis halmazállapota Diszperziós közeg Gáz G/Folyékony L/Szilárd S/ Aeroszol /G -L/G kolloid köd (pl: légköri köd, felhők) S/G kolloid füst (pl: dohányfüst) Lioszol /L kolloid hab G/L (szappanhab) Emulzió L/L (pl: tej, kenőanyag) S/L szol, szuszpenzió (pl:kolloid kénoldat) Xeroszol /S G/S szilárd hab, pórusrendszer L/S pórus-, kapilláris rendsz. Gélek, adszorbens, talaj szilárd szól S/S (rubinüveg, ötvözetek) A kolloid rendszerek csoportosítása a diszpergált (eloszlatott) fázis és a diszperziós közeg (összefüggő) halmazállapota szerint

8 A kolloidok osztályozása az eloszlatott részecskék típusa szerint diszperziós kolloidok (fáziskolloidok): valamely folytonos közegben gáz, folyadék és szilárd mikrofázisok, felülettel határolt részecskék találhatók pl. köd, füst, emulzió (tej, vaj), agyag, szuszpenzió makromolekuláris kolloidok: a folyadékban oldott részecskék mérete eleve a kolloid mérettartományba esik pl. fehérje, ragasztók, lakkok, zselatin, polimer sejtek, mikroszervezetek, testszövetek, vér asszociációs kolloidok: az oldott amfipatikus molekulák micellákká csoportosulnak (felületaktív anyagokat tartalmazó rendszerek) pl. szappanoldat, mosószerek (micellák!)

9 Kolloid rendszerek átalakulásai Szol hűtés, vagy oldószer-elvonás melegítés, vagy oldószer hozzáadás Gél Pl.: szilárd zselatin (xerogél) + oldószer(duzzadt xerogél), majd (liogél), melegítés (lioszol), majd lehűtés (liogél)

10 A kolloidok osztályozása az eloszlatott részecskék közt ható erő szerint inkoherens rendszerek: a részecskék egymástól függetlenek. A közeg folyékony jellege a mérvadó (aero- és lioszolok, kolloid oldatok) koherens rendszerek: összefüggő szilárd vázat alkotnak (gélek – a részecskék kapcsolódása miatt; xeroszolok – a közeg miatt)

11 A kolloidok előállítása nagyobb szemcséket aprítunk kolloid méretűre (porlasztással, kolloid malomban, ultrahanggal stb.); vegyi eljárással olyan körülmények között (hőmérséklet, koncentráció, oldószer stb.), hogy a keletkező csapadék szemcséinek mérete kolloid méretű legyen valódi oldatban úgy változtatjuk meg a körülményeket, hogy az oldott anyag (egy része legalább) kolloid méretű szemcsékben váljon ki.

12 ADSZORBENSEK - KOLLOIDOK A kolloidok tipikus nagy felületű anyagok, melyek felületükön jelentős mennyiségben képesek más anyagokat a felületükön megkötni. Sok apró szemcséből állnak (pl. kolloid oldat) Porózus anyagok (liogél, xerogél) Azokat a kolloidokat, melyek felületükön oldószer molekulákat képesek megkötni, azok a liofil kolloidok, amelyek oldószer molekulákat nem képesek adszorbeálni, azok a liofób kolloidok.

13 Felületi feszültség A folyadékok felületének megnöveléséhez munkát kell végznünk  ezzel a felületi energiát növeljük A felületi energia  E megváltozása arányos az újonnan létrehozott  A felülettel: 13 DEF a  arányossági tényező neve felületi feszültség. Mértékegysége: J/m 2 illetve N/m Egy folyadékrészecske akkor van a legalacsonyabb energiaállapotban, ha minden oldalról másik részecske veszi körül. A felülethez közeli részecskéknek többlet energiája van  felületi energia

14 Felületi feszültség 2. A felületi feszültség függ a két érintkező anyag minőségétől és a hőmérséklettől. A folyadékok felszínének egyensúlyban a lehető legkisebb értéknek kell lennie: Súlytalanságban minden folyadék gömb alakot vesz fel. 14 vízcsepp az ISS űrállomáson

15 Görbült felület gőznyomása A telített gőznyomás értéke függ a folyadékfelszín görbültségétől: a felülről nézve domború (  ) felszínhez nagyobb gőznyomás tartozik, mint a sík felülethez, a felülről nézve homorú (  ) esetben pedig fordítva. 15 görbült felület p gőznyomása (Kelvin ‑ egyenlet): p* sík felület telített gőznyomása  folyadék–gőz határfelületi feszültség V m folyadék moláris térfogata r folyadékfelszín görbületi sugara + előjel: felülről nézve domború felszín (  ) - előjel: felülről nézve homorú (  ) felszín domború felület: egy molekulának átlagosan kevesebb szomszédja van, mint a sík felületen  kevésbé „fogják” a szomszédok, a hőmozgás hatására könnyebben elszáll

16 Görbült felület gőznyomása–furcsa következmények Zárt rendszerben két nem érintkező csepp közül a kisebbik rápárolog a nagyobbikra. Félig töltött palack falán maradt vízcseppek egy idő után beledesztillálnak a folyadék fő tömegébe. A szivacs azért szárad ki nehezen, mert kapillárisaiban a folyadékfelszín felülről homorú, a kisebb telített gőznyomás miatt az odajutó gőz lecsapódik. 16

17 Esőcseppek képződése Ha a levegő túltelítetté válik (a sík folyadékfelszínhez képest), kis vízcseppek képződnek, de ezek azonnal elpárolognak, mert nagyon görbültek (nagy a gőznyomásuk). Esőcseppek képződése: a levegőben levő porszemekre („kondenzációs mag”) víz adszorbeálódik. Erre a vízrétegre újabb vízréteg adszorbálódik. A keletkező kis görbületű részecskére már le tud csapódni a víz. 17 „Langmuir, az esőcsináló” Time magazin címlapja 1950, augusztus 28. Esőcsinálás: egy kudarc Project Cirrus (1946-1952) Langmuir (kémiai Nobel-díj, 1932) és munkatársai esőfelhőkbe repülőgépről ezüstjodid kristályokat juttattak, ezzel esőt váltottak ki. - sokan beperelték őket vízkár miatt - a kísérleteket a sikerorientált USA hadsereg vette át: csak akkor szálltak fel a repülők, amikor az előrejelzés nagy esőt jósolt. Esőcsinálás sikerrel Pekingi Olimpia, 2008 1110 rakétával ezüstjodid kristályokat juttattak a Peking felé közeledő esőfelhőkbe. Az eső Pekingtől messze esett, nem az Olimpia nyitóünnepségén.

18 Jégeső Jégeső képződése, ha sok kondenzációs mag van: A sok kicsi porszemre mind ráfagy a víz, mindegyik elkezd nőni. Egymás elől el vonják a vízgőzt, sok mákszem nagyságú jégszemcse. A földre már csak esőcseppek hullanak. 18 Jégeső-elhárítás 3 magyar megyében 1991  141 faluban van kis égetőberendezés. Az elégetett anyag 8 g/dm 3 töménységű ezüstjodid  aceton oldat. Ezt egy fúvóka porlasztja az égetőkéménybe. A füstgáz lehülésekor AgI kristályok alakulnak ki: 1 g AgI  10 15 kristályszemcse. fogyasztás: 0,8 - 1,0 liter oldat/óra. évi 8 milliárd forint kármegtakarítás 1 Ft védekezési költség  30 Ft elhárított kár Jégeső képződése, ha kevés kondenzációs mag van: A néhány porszem elkezd növekedni, minden vízgőzt ezek gyűjtenek be. Teniszlabda nagyságú jégdarabok, nagy mezőgazdasági kár.

19 Kapillárisemelkedés A kapillárisemelkedés magassága (a Kelvin egyenletből levezethető) +kapillárisemelkedés (  )  kapillárissüllyedés (  )  folyadék–gőz határfelületi feszültség [J m -2 ] rfolyadékfelszín görbületi sugara [m]  folyadék sűrűsége [kg m -3 ] g nehézségi gyorsulás [9,81 m s -2 ] 19 Ha a folyadék felszíne homorú (  )  „nedvesíti a falat” (pl. víz üvegfalon)  a folyadékszint megemelkedik a kapillárisban Ha a folyadék felszíne domború (  )  „nem nedvesíti a falat” (pl. higany üvegfalon)  a folyadékszint lesüllyed a kapillárisban

20 Felületaktív molekulák elhelyezkedése a vizes és olajos fázisok határán olajos fázis vizes fázis poláros csoport apoláros rész

21 Sejtmembrán Micella

22 CMC Kritikus Micella Koncentráció Egyensúlyi folyamat CMC feletti koncentrációnál nem nő az aktív molekulák koncentrációja

23 Felületaktív molekulák Detergens (latin:letörlő) hatás- mosás A szennyeződés a textíliákhoz vagy más tárgyakhoz főleg olajos film közvetítésével tapad. Az olajos felületeket a víz nem nedvesíti, a felületaktív anyag azonban közvetíteni tud a két fázis között. A lipofil rész jól adszorbeálódik az olajos felületre, az így kialakult új felület pedig – a hidrofil csoportokon keresztül – jól nedvesíti a víz. A felületaktív molekulák mozgásban lévő víz segítségével fokozatosan behatolnak a szennyezés és a szennyezett anyag közé, majd az így szabaddá vált szennyrészecské- ket emulzió formájában a vizes oldatba viszik.

24 szenny- részecske H2OH2OH2OH2O H2OH2OH2OH2O Detergens hatás A felületről a detergens nedvesítő hatása választja le a szennyrészecskéket, és emulgeáló hatása tartja azokat emulzió formájában a vizes oldatban.

25 Felület borításához kevés molekula is elég kis mennyiség – nagy hatás Felület megváltoztatása felületi feszültség csökkentése HABKÉPZŐDÉS gyakori feladat: habképződés gátlása Védőkolloid hatás – elválasztási probléma (csapadék, emulzió) Megszüntetés – a detergens elroncsolása (oxidáció, mikrobák) – a detergens kicsapása (Ca-szappan) – felület lefedése (szilikon, olaj, zsirsavak, alkohol) – hab eltávolítás – felületaktív anyag eltávolítás

26 Szennyezések csapadékképzésen alapuló elválasztása Kolloid szennyezők eltávolítása (koaguláció) Részecskék elektromos töltésének csökkentése pH függvényében – H + ill OH - ionok megkötődése (izoelektromos pont) Védőkolloidok (szerves makromolekulák, detergensek) elbontás (mikrobiológia – eleven iszap) detergens megkötés polielektrolittal Hídképző flokkuláció polimerrel alacsony koncentrációban (magasabb koncentrációban védőkolloid !)

27

28 CH 2 =CH-COOH akrilsav A polimetilmetakrilátot (szerves üveg, „plexi”) metakrilsav-észter polimerizációjával állítják elő. Jó optikai, elektromos és nem utolsó sorban mechanikai tulajdonságai miatt (100- 150  C –fokon már hajlik, de szobahőmérsékleten kemény) gyakran alkalmazzák különböző konstrukciós elemek, optikai alkatrészek, ablakok gyártásához. Polielektrolit/1 Poli-aklrilsav PAA „Gyenge” polielektrolit disszociációja részleges

29 A polisztirol mérettartó, rideg, jó szigetelő anyag. Savak lúgok nem károsítják. Habosítva – kemény hab - jó hőszigetelő (Hugarocell). Szerves oldószerek károsítják. Gyenge hőállóság, nehezen éghető. Az anyag nem táptalaja a mikroorganizmusoknak, s a talajbaktériumok sem támadják meg. Polielektrolit/2 Poli(nátrium-sztirol-szulfonát) PSS „Erős” polielektrolit disszociációja 100%-os

30 Köszönöm a figyelmet