Mechanika plynů

Mechanika plynů - aeromechanika
Vlastnosti plynných látek
Nemají vlastní tvar, podřizují ho tvaru nádoby.
Jsou tekuté (stejně jako kapaliny) – dají se přelévat. Kapaliny i plyny proto
nazýváme tekutiny.
Jsou stlačitelné.
Jsou rozpínavé - nezachovávají si stálý objem (vyplní vždy celý objem
nádoby).
Jsou dělitelné.
Ze všech plynů má pro nás největší význam vzduch (dýcháme jej). Je to
chemická směs, složená především ze dvou plynných prvků – 78% dusíku
a 21% kyslíku. Vzdušný obal Země nazýváme atmosféra, kterou si Země
udrží díky poměrně silnému gravitačnímu poli.
Poznámka: Gravitační pole Měsíce je 6x slabší než na Zemi a proto kolem Měsíce žádná atmosféra není.
Stav atmosféry charakterizujeme dvěma základními stavovými veličinami – teplota a tlak.
Zatímco teplotou jsme se zabývali již v 6. ročníku, atmosférickým tlakem se budeme zabývat právě nyní.
Atmosférický tlak
O existenci atmosférického tlaku vzduchu se můžeme přesvědčit
jednoduchým pokusem, kdy z nádoby uzavřené pružnou blánou
vysajeme vzduch – blána se prohne směrem dovnitř, protože
z vnější strany na ni působí větší atmosférická tlaková síla než ze
strany vnitřní.
Velikost atmosférického tlaku poprvé změřil v 1. pol. 17. stol.
italský fyzik Evangelista Torricelli - podle něj Torricelliho pokus.
Atmosférický tlak změřil pomocí hydrostatického tlaku rtuťového sloupce o výšce cca 75 cm. Použil k tomu
cca 1 m dlouhou, velmi úzkou trubici – tzv. kapiláru, v níž se dal tento pokus provést. Nad hladinou rtuti
v kapiláře je vzduchoprázdno – tzv. Torricelliho vakuum.
Poznámka: Rtuť použil Torricelli proto, že má ze všech kapalin největší hustotu a výška sloupce je tak
nejmenší možná. Kdyby použil místo rtuti vodu, musel by mí
trubici dlouhou více než 10 metrů.
pa = ph = h . ρ . g = 0.75 m . 13 500 kg/m3 . 10 N/kg
= 101 000 Pa = 101 kPa = 1 010 hPa
Takto změřený atmosférický tlak o hodnotě cca 101 kPa
(101 325 Pa přesně) byl označen jako tzv. normální
atmosférický tlak.
Poznámka: Při měření atmosférického
tlaku se setkáme s jednotkou
hektopascal – hPa = 100 Pa = 0,1 kPa.
Tato jednotka byla zavedena jako
ekvivalent dřívější jednotky milibar
Na principu Torricelliho pokusu byl
sestrojen pro měření atmosférického
tlaku rtuťový tlakoměr. Daleko
častěji se však setkáme s tzv.
aneroidem (lidově barometrem), který
je mnohem menší, praktičtější a jehož princip je patrný z obrázku.
aneroid
Atmosférický tlak se mění:
 V závislosti na počasí se mění v rozmezí cca 950 hPa – 1050 hPa. Pokles tlaku signalizuje obvykle
zamračené, deštivé počasí, vzestup tlaku naopak jasné, slunečné počasí. Změny tlaku lze monitorovat na
meteorologických stanicích pomocí barografu.
 V závislosti na rostoucí nadmořské výšce – s rostoucí nadmořskou výškou vzduch řídne a
atmosférický tlak tudíž klesá. Pokles činí cca 1 hPa na 10 m výšky do nadmořské výšky 1 km. Na
principu poklesu atmosférického tlaku vzduchu v závislosti na rostoucí nadmořské výšce pracují
výškoměry. Ty jsou nedílnou součástí každé pilotní kabiny letadla.
Archimédův zákon neplatí jen pro kapaliny, ale také pro plyny. Ve vzduchu je tedy každé těleso nadnášeno
vztlakovou silou, která je ovšem velmi výrazně menší než např. ve vodě, protože hustota vzduchu je
mnohonásobně menší než hustota vody. Proto si vztlakovou sílu, která na nás působí ve vzduchu, vůbec
neuvědomujeme, protože je oproti gravitační síle zanedbatelně malá.
Vypočítáme ji podle stejného vztahu – tedy: Fvz = V . ρ . g
ρ – hustota plynu (obvykle vzduchu ρ = 1,3 kg/m3)
Aby mohlo těleso ve vzduch „plovat“ (stoupat vzhůru), musí být hustota
látky, z níž je zhotoveno, menší než hustota vzduchu. Toho lze docílit
např. u balónku nafouknutého velmi lehkým plynem (např. vodík nebo
helium). V praxi se setkáme také s horkovzdušnými balóny – vzduch
v balónu je zahříván, čímž zvětšuje svůj objem a tím klesá jeho hustota
(hmotnost se nemění). Má-li takový balón unést zátěž řádově stovek
kilogramů, musí být objem horkého vzduchu v balónu obrovský – řádově
stovky m3.
Poznámka: S rostoucí nadmořskou výškou se vztlaková síla, působící na
balón, zmenšuje, protože se zmenšuje i hustota vzduchu (vzduch řídne –
klesá atmosférický tlak)
Nachází-li se plyn v uzavřené nádobě, porovnáváme jeho tlak s okolním
atmosférickým tlakem. Rozlišujeme:
a) Přetlak – tlak plynu v uzavřené nádobě je větší než okolní
atmosférický tlak
b) Podtlak – tlak plynu v uzavřené nádobě je menší než okolní
atmosférický tlak
S přetlakem se můžeme setkat např. u nahuštěných pneumatik nebo
balónů, aqualungů apod.
Podtlaku využíváme např. pití nápojů pomocí brčka nebo u sací pumpy.
Malé hodnoty přetlaku nebo podtlaku můžeme měřit pomocí otevřeného kapalinového manometru.
Velké hodnoty přetlaku (např. v pneumatice automobilu) změříme pomocí deformačního manometru
Manometr . přetlak
Manometr - podtlak
Deformační manometr
Poznámka: Uměle vytvořené „vakuum“ (vzduchoprázdno) pod recipientem vývěvy je příkladem podtlaku.
Dokonalé vakuum, kde by byl tlak nulový, uměle vytvořit nelze ani tou nejdokonalejší vývěvou.