Click here to load reader

Fluide - · PDF fileFl idFluide Flü i k iFlüssigkeiten Nahordnung frei beweglich geringe thermische Bewegung kleiner Abstand Volumenelastizität i K ibili ä Fluide

  • View
    212

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Fluide - · PDF fileFl idFluide Flü i k iFlüssigkeiten Nahordnung frei beweglich...

  • Physik fr PharmazeutenPhysikfrPharmazeuten

    FLUIDERuhendeFlssigkeitenundGase

    Grenzflcheneffekte

    BewegteFlssigkeitenundGase

  • Fl idFluide

    Fl i k iFlssigkeitenNahordnungfreibeweglich

    geringethermischeBewegungkleinerAbstand

    Volumenelastizitti K ibili

    Fluide

    F k

    geringeKompressibilitt

    GaseFestkrper

    Bestandteilegeordnet,gebundenumGleichgewichtslage

    keineOrdnungfreibeweglich

    flltverfgbaresVolumenausgeringethermischeBewegung

    kleinerAbstandGestaltelastizitt

    groethermischeBewegung,groerAbstand(>x10)geringeWechselwirkung

    k i i bkomprimierbar

  • Fl idFluide

    Warum Fluide ? WarumFluide ?

    Blutkreislauf Blutkreislaufz.B.:TransportderWirkstoffe

    Lsungen Emulsionen etc Lsungen,Emulsionenetc. Pumpen,Waagen,Pipette

  • Fl id 1 Ruhende FlssigkeitenFluide 1.RuhendeFlssigkeiten

    Druck:F

    p = Druck:GreiftaneinemFlchenstckAsenkrechtzuihmdieflchenhaftverteilteKraftFan,dannheitdas

    pA

    VerhltnisderKraftzurFlcheDruck

    Einheit:1Nm2 =1Pa(1Pascal)=105 bar(auch atm=101 325 Pa Torr=101 325/760 Pa)(auchatm=101325Pa,Torr=101325/760Pa)

    Kompressibilitt 1 Vp V = pDrucknderung istverbundenmitVolumennderung

    Kompressibilittsmodul

    Vp K V =

    p V

    1K = :z.B.Aceton1,27;Benzol0,97;Wasser0,46;Glycerin0,22;Quecksilber0,039;idealesGas104 (in109 m2/N;bei20Cund105 Pa)

  • Fl idFluide

    Kolbendruck KolbendruckesherrschtberalliminnerenundandenGrenzflchenderDruckp=F/A.DruckistSkalar!

    HydraulischePresse1 1

    1 1 2 2

    F AF pA F pA

    F A= = =

    Arbeits...Kolbenhub

    lb b

    2 2F A1 2

    1 1 2 22 1

    F sW F s F s

    F s= = =

    Kolben,MembranpumpenAuf undAbbewegung desKolbens(1)befrdertFlssigkeit von links nach rechts Bei MembranFlssigkeitvonlinksnachrechts.BeiMembranpumpeKolbenersetztdurchMembran(wenigerdiskontinuierlich)

    H D k S b t ibt 2 K i l fHerz:DruckSaugpumpebetreibt2Kreislufe

  • Fl idFluide

    Schweredruck SchweredruckGewichtderhherenSchichtenerzeugtzustzlichenDruckfrdieunteren.

    (...Dichte)

    K i i d G f

    G mg Vg hAg = = =

    hp hg=

    KommunizierendeGefeanjederStellemssenKrfte(Drcke)gleich seingleichsein

    wennunterschiedlicheDichten1 1 2 2p h g h g = =

    unterschiedlicheHhen

  • Fl id Ruhende GaseFluide RuhendeGase

    leicht komprimierbar Druck nach allen Seitenleichtkomprimierbar,DrucknachallenSeiten

    inidealenGasen(Wasserstoff,Helium,Stickstoff...)giltbeikonst.Temperatur

    z.B.:Gasflaschen

    A h d k

    beipV const T const= =

    Atmosphrendruck(BarometrischeHhenformel)GewichtderhherenLuftschichten Luftdruck LuftdruckNormdruckh=760mmQuecksilbersule101325Pa

    "Vakuum":Feinv.102101 Pa;Hochv. 104 Pa

    DichtederGaseistdruckabhngig

    Barometrische Hhenformel:0 0p p =0 h

    BarometrischeHhenformel: 00

    0

    ghp

    hp p e

    =

  • Fl id AuftriebFluide Auftrieb

    Druck und damit Kraft von Hhe h abhngig Druck,und damitKraft,vonHhehi abhngig

    auch in Gasen

    ( )2 1 2 1 2 1AF F F g h A g h A g h h A g V = = = =auchinGasen

    beliebigeFormen(Seitenkrftehebensichauf)

    SchwimmenabhngigvonFGFA 0g g G A , ,

    schwimmt,schwebt,sinktKrper

    HeliumballoninLuft(=>max.Steighhe?)

  • Fl id Druckmessung / DichtebestimmungFluide Druckmessung/Dichtebestimmung

    Druck: Manometer (Barometer Vakuummeter) Druck:Manometer(Barometer,Vakuummeter)Flssigkeitsmanometer:URohr,teilweisemitHggefllt.offen:p1p2,geschlossen:p1 21mmHg 1Torr 133,3Pa

    1mmH2O 9,81Pa(Hg=13,6103 kg/m3)Membranmanometer:VerformungeinerMembranvonDruckabhngigmechanischeAnzeigeoftauchelektrischeUmformung

    BlutdruckmessungBlutfliet,solangeBlutdruck+Druck derGefwand>Aussendruck

    mit Stethoskop werden Gerusche beimitStethoskopwerdenGeruschebeiturbulenterStrmungregistriert

  • Fl idFluide

    Dichte: Dichte:Moohrsche Waage(HydrostatischeWaage)bestimmeGewichtinLuftundWasser,ausVerhltnisderAuftriebskrfte DichteArometer:beschwerterGlaskrpertauchtinFlssigkeit Spindel taucht ein Ablesung an SpindelFlssigkeit,Spindeltauchtein,AblesunganSpindel

    Skala

    Pyknometer:FlaschemitgeeichtemVolumenwirdmitundohneFlssigkeitgewogen Dichte

  • Fl id 2 GrenzflcheneffekteFluide 2.Grenzflcheneffekte

    Oberflchenspannung OberflchenspannungOberflchenenergie...spezifischeOberflchenergieprop.Flche!

    ObE A=

    Ursache:AnziehungzwischenMolekleniminnerenvonallenSeitengleichan Oberflche fehlen BindungenanOberflchefehlenBindungenca.12Bindungeniminneren,9anOberfl.

    Ob VerdampfungE E PrinzipminimalerEnergie(Minimalflchen)Tropfen:kleinsteOberflchebeigeg.Volumen KugelWasserlufer:tieferesEinsinkenwrdeOberflchenen.vergrern,Gleichgewicht:TrpfchengreamWasserhahn:FlcheamHahnr2nderungderFlche nderung derEnergie Kraft

    G ObF h E =

    g g g=Gewichtskraftfrr=1mmergibtsichV~0,043cm3

    2 r V g =

  • Fl idFluide

    Seifenblase: berdruck in Innerem Seifenblase:berdruckinInneremBestrebenzuminimalerFlchemuss DruckinInneremaufgebautwerden 4p r =

    Grenzflchenspannungevtl.negativ:FestkrperziehtMoleklestrker

    p

    ik

    an,alsdieseeinander BenetzungundDurchmischungHaftspannung, Kohsions AdhsionskraftHaftspannung,Kohsions AdhsionskraftbestimmenWinkelFlssigkeit/Oberflche

    Adhsion:KraftzwischenverschiedenenMoleklenFAK h i K ft i h l i h M l kl FKohsion:KraftzwischengleichenMoleklenFKbenetzend(Randwinkel)

    allgemeiner,auch unterschiedliche

    90 < A KF F>allgemeiner,auch unterschiedlicheFlssigkeiten,z.B.:Fettauge

  • Fl idFluide

    Kapillarittbei benetzender Flche ist GewichtbeibenetzenderFlcheistGewichtgleichKraftanRandlinie

    2h r g =

    BestimmungvonSteighhenmethode,Tropfengewicht,NormaltropfenzhlerNormaltropfenzhler

    AdsorptionAnreicherung einer flssige (o gasfrmigen) Phase an einer OberflcheAnreicherungeinerflssige(o.gasfrmigen)PhaseaneinerOberflche

    ndertOberflchenbeschaffenheit

    WechselspielvonOberflchenenergie,Thermodynamik,Chemie

  • Fl id ReibungFluide Reibung

    bewegte Krper werden abgebremst (negative Beschleunigung)bewegteKrperwerdenabgebremst(negativeBeschleunigung) ReibungskraftFR

    uereReibung innereReibung(Viskositt)

    ReibungzwischenFestkrpernOberflchendurchKrftedeformierbar

    G fl h ik k i h U b h itanGrenzflchemikroskopischeUnebenheiten

    ruhendeKrperdringentieferinUnebenheiten

    Haftreibung > Gleitreibung R NF F=Haftreibung Gleitreibung(Couloumbr.)geschwindigkeitsunabhngig

    Festkrper(Kugel)inFlssigkeiten:R d hi ht d Fl i k it h ft t F tk

    R NF F

    RandschichtderFlssigkeithaftetanFestkrperineinigerEntfernungruhtFlssigkeit Geschwindigkeitsgeflle KraftStokesreibung (prop.Geschwindigkeit)

    6F vr=

  • Fl idFluide

    Viskositt (Einheit: Pa s Pascalsekunde)...Viskositt(Einheit:Pa.s Pascalsekunde)proportionalelastischerDeformationinFestkrpern,zuGeschwindigkeitsgradientend /d i Fl i k it (i R ib )dv/dz inFlssigkeiten(innereReibung)

    nimmtstarkabmitT(Temperatur)inFlssigkeiten, steigtmitTinGasenKugelfallviskosimeter

    (Blut)Sedimentation:AbsinkenimSchwerefeld

    Newtonreibung:schnelleKrperv verdrngenFluid,beschleunigenFluid aufetwavf.BewegteMasse:mf=Avdt ,kin.Energie2 31 12 2fmv Av dt=f g f , g

    prop.v2!cw WiderstandskoeffizientTurbulenz,beirelativniedrigenGeschwindigkeiteninGasen(Fahrrad,

    Auto)

    2 2fmv Av dt21

    2R WF c Av=

    Auto)

  • Fl id 3 Bewegte FlssigkeitenFluide 3.BewegteFlssigkeiten

    Strmung StrmungBeschreibungdurchVektorfeldStromlinien,Stromdichte

    ( ), , ,v x y z t

    KrfteaufMasse(Volumen)inFlssigkeit:Schwerkraft,Druckkrfte,Reibungskrfte

    S i id l Fl i k i StrmunginidealenFlssigkeitenKontinuittsbedingung:

    ,m V A x Av t = = = 1 2m m = ,

    SummeauskinetischerEnergie+

    1 1 2 2A v A v = 1 2

    potentielleEnergie(pV)konstant BernoulliGleichung

    2 21 10 02 2mv pV p V v p const+ + = + =stationrerDruck,Druckbeiv=0

    Bunsenbrenner,Wasserstrahlpumpe

    0 02 2mv pV p V v p const+ + +

  • Fl idFluide

    laminare Strmung laminare StrmungdnneFlssigkeitsschichtengleitenbereinander(Stokesreibung)

    DruckkraftproportionalDruckdifferenzumVolumen Geschwindigkeitsverteilungin Rohr ( )( )2 2 /2v p p d x l= inRohrVolumenstrom

    (HagenPoiseuille)Strm ngs iderstand

    ( )( )1 2 /2v p p d x l= ( ) 41 2 /8V p p R l =

    48 /l RStrmungswiderstand

    Strmungswiderstand (BeiwertcW)Druckabfall in Rohr

    48 /l R 21

    2R WF c Av=DruckabfallinRohr

    Kirchhofsche Gesetze: Gesamtstromistkonstant(vor/hinterVerzweigung) StrominZweigprop.Widerstand

  • Fl idFluide

    Turbulente Strmung TurbulenteStrmungbeikritischerGeschwindigkeitdurchmischensichbenachbarteSchichtenWirbel(SchwankungenderStrmungsgeschwindigkeit)

    ReynoldsZahl Relv lv

    = =

    ...kinematischeViskosittRe=Trgheitskraft /Reibungskraft

    ReRekrit ....turbulent

    StrmunginFlssen,hinterFahrzeug,inHeizungs undKhlrohren

    KKrper cWHalbkugeloffen 1,33/0,35Halbkugelgeschlossen 1,17/0,4Platte,eben 1,11St li i k (T f f ) 0 05Stromlinienkrper (Tropfenform) 0,05PKW 0,28... 0,4

  • Fl id unterschiedliche StrmungenFluide unterschiedlicheStrmungen

    v[m/s] d[m] [kg/m3] [Ns/m2] Re

    Bach 110 1m 103 103 106..107 turbulent

    Wasserleitung 0 1 1 0 01 103 103 103 104 bergangWasserleitung 0,11 0,01 103 10 3 103..104 bergang

    Aorta 0,1 0,015 103 8.103 200 laminar

    Atemwege 15 0,005 1,3 2.105 104 turbulentg

  • Fl id AuftriebFluide Auftrieb

    rotierender Zylinder:rotierenderZylinder:

    Zirkulationsstrmung:

    oberhalbunterhalbZylindererhhteerniedrigteStrmungsgeschwindigkeitgeringerererhhterDruck(Bernoulli!)

Search related