Επιλεγμένα θέματα Κλωστοϋφαντουργικής Φυσικής

Transcript

1 ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τμήμα Φυσικής, Χημείας και Τεχνολογίας Υλικών Επιλεγμένα θέματα Κλωστοϋφαντουργικής Φυσικής για τους σπουδαστές του τμήματος Κλωστοϋφαντουργίας ρ. Ζαχαριάδου Αικατερίνη 1

2 Επιλεγμένα θέματα Κλωστοϋφαντουργικής Φυσικής ΚΕΦΑΛΑΙΟ Α ΚΕΦΑΛΑΙΟ Β Νόμοι Ιδανικών αερίων Μετατροπές φάσης ιάδοση θερμότητας Υγροσκοπικές ιδιότητες Ινών Θερμότητα απορρόφησης ινών ΚΕΦΑΛΑΙΟ Γ ΚΕΦΑΛΑΙΟ Οπτικές ιδιότητες Τάση και παραμόρφωση Ιδιότητες Εφελκυσμού Ινών ΚΕΦΑΛΑΙΟ Ε Ηλεκτρικές ιδιότητες 2

3 ομή μέρους πρώτου ΜΕΡΟΣ ΠΡΩΤΟ ΝΟΜΟΙ Ι ΑΝΙΚΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΣ ΦΑΣΗΣ ΥΓΡΟΣΚΟΠΙΚΕΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΙΝΩΝ ΑΝΑΚΤΗΣΗ ΚΑΙ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΗ ΥΓΡΑΣΙΑ ΣΧΕΣΗ ΜΕΤΑΞΥ ΑΝΑΚΤΗΣΗΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΙΕΧΟΜΕΝΗΣ ΥΓΡΑΣΙΑΣ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗΝ ΑΝΑΚΤΗΣΗ ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΤΗΣ ΑΝΑΚΤΗΣΗΣ ΣΤΙΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΙΝΩΝ 3

4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Α ΝΟΜΟΙ Ι ΑΝΙΚΩΝ ΑΕΡΙΩΝ-ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΣ ΦΑΣΗΣ ΥΓΡΟΣΚΟΠΙΚΕΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΙΝΩΝ Τα περισσότερα είδη ινών είναι υγροσκοπικά: έχουν δηλαδή την ιδιότητα να απορροφούν υγρασία (υδρατμούς) όταν η ατμόσφαιρα έχει αυξημένη υγρασία και αντιστρόφως να χάνουν νερό όταν η ατμόσφαιρα είναι ξηρή. η απορρόφηση υγρασίας μεταβάλλει τις ιδιότητες των ινών διόγκωση Μεταβολή των μηχανικών ιδιοτήτων (ελαστικότητα, η ευκαμψία και η αντοχή) Αλλαγές στο μέγεθος στο σχήμα στη σκληρότητα στην (υδατική) διαπερατότητα των νημάτων και των υφασμάτων άμεση εμπορική σημασία (στα 100Κg ακατέργαστου βαμβακιού μπορεί να υπάρχουν μέχρι και 12 Κg νερού. ) Μεταβολή των ηλεκτρικών ιδιοτήτων (ο στατικός ηλεκτρισμός είναι σπάνιο να εμφανιστεί σε 4 συνθήκες υγρασίας)

5 Φάσεις ενός υλικού 1. Στερεά Τα μόρια είναι διευθετημένα σε μια τρισδιάστατη διάταξη (κρυσταλλικό πλέγμα) και οι αποστάσεις μεταξύ τους είναι μικρές. 2. Αέρια τα μόρια είναι απομακρυσμένα μεταξύ τους κινούνται διαρκώς και τυχαία 3. Υγρή ενδιάμεση κατάσταση όπου τα μόρια δεν βρίσκονται σε σταθερές θέσεις το έναωςπροςτοάλλοκαιτοκάθεμόριο ολισθαίνει κατά μήκος των γειτονικών του χωρίς να παύει να εφάπτεται αυτών 5

6 Τι είναι θερμοκρασία αξιοσημείωτο χαρακτηριστικό της θερμοκρασίας: η τάση που έχει να εξισώνεται Όταν οι θερμοκρασίες εξισωθούν, λέμε ότι τα δύο σώματα βρίσκονται σε θερμική ισορροπία μεταξύ τους θερμοκρασία ενός συστήματος είναι μια ιδιότητα η οποία καθορίζει αν το σύστημα είναι σε θερμική ισορροπία με άλλα συστήματα 6

7 οχείο με αέριο Τι είναι Πίεση αερίου ; Άσκηση δύναμης στα τοιχώματα ανάλογη με: τη μέση ταχύτητα των μορίων τον αριθμό των μορίων ανά μονάδα όγκου του δοχείου Άρα η πίεση ενός αερίου εξαρτάται: Τη θερμοκρασία του αερίου Την πυκνότητα του αερίου Η πίεση στο εσωτερικό του δοχείου οφείλεται στις συγκρούσεις των μεμονωμένων μορίων με τα τοιχώματα του δοχείου Η πίεση ενός αερίου μίγματος, είναι το άθροισμα των πιέσεων που ασκούν τα μεμονωμένα αέρια συστατικά του (Mερικές πιέσεις) Μονάδες πίεσης (δύναμη ανά μονάδα επιφάνειας : Ο ατμοσφαιρικός αέρας μπορεί να θεωρηθεί μίγμα ξηρού αέρα (αέρα με μηδενικό περιεχόμενο υγρασίας) και ατμών νερού (υγρασία). H ατμοσφαιρική πίεση είναι το άθροισμα της πίεσης του ξηρού αέρα και της πίεσης των ατμών του νερού η οποία ονομάζεται πίεση των ατμών ή τάση ατμών : P P + atm a P v 1Pa 1N m 2 1bar10 5 Pa 1 atm pa 14.7 psi 760mmHg 100 Torr 7

8 Μεταβολές στη θερμοκρασία των υλικών μεταβολές στις διαστάσεις τους Μεταβολές στην κατάσταση τους Ας θεωρήσουμε αρχικά : μεταβολές των διαστάσεων ενός υλικού χωρίς μεταβολή στην κατάστασή του Θερμική διαστολή είναι το φαινόμενο κατά το οποίο μεταβάλλονται οι διαστάσεις ενός υλικού όταν μεταβάλλεται η θερμοκρασία του Το φαινόμενο της διαστολής εμφανίζεται και στις τρεις καταστάσεις της ύλης, στερεά, υγρή και αέρια είναι όμως εντονότερο στα αέρια, λιγότερο στα υγρά και ακόμα λιγότερο στα στερεά. 8

9 Σε ένα στερεό διακρίνουμε Θερμική διαστολή στερεών Γραμμική διαστολή (μεταβολή του μήκους) επιφανειακή διαστολή (μεταβολή της επιφάνειας) κυβική διαστολή (μεταβολή του όγκου) dx k x dθ ( + θ ) x x 1 k 0 Ένα στερεό συμπεριφέρεται από πολλές απόψεις σαν να ήταν ένα μικροσκοπικό πλέγμα με σούστες στρώματος στο οποίο τα άτομα κρατιούνται μεταξύ τους με ελαστικές δυνάμεις. 9

10 Θερμική διαστολή στερεών x x ( 1+ k θ ) 0 Α. Γραμμική διαστολή ράβδου (σε θ0 ο C LL 0 ) ( + θ ) L L 1 a 0 Β. Επιφανειακή διαστολή S 1 S 0 ( + β θ ) β 2 a Γ. Κυβική διαστολή V 1 V 0 γ 3 ( + γ θ ) a. Μεταβολή πυκνότητας με τη θερμοκρασία: συντελεστής γραμμικής διαστολής α εξαρτάται απότουλικόκαιαπότηθερμοκρασία. Η μεταβολή του όμως είναι συνήθως αμελητέα σε σύγκριση με την ακρίβεια με την οποία απαιτείται να γίνονται οι μετρήσεις. Συνεπώς συνήθως θεωρείται σταθερός για δοσμένο υλικό ανεξάρτητα από τη θερμοκρασία. ρ m V V 0 m ρ ( 1+ γ θ ) 1+ γ θ 0 10

11 Θερμική διαστολή αερίων πειραματικοί νόμοι που προέκυψαν από τη μελέτη της μεταβολής της θερμοκρασίας ορισμένων αερίων Α) Θέρμανση αερίου υπό σταθερή πίεση (1ος νόμος Gay-Lussac) Έννοια ιδανικού αερίου Έχει αποδειχθεί πειραματικά ότι όταν ένα αέριο θερμαίνεται υπό σταθερή πίεση διαστέλλεται : ( + θ ) V V 1 a 0 Β) Θέρμανση αερίου υπό σταθερό όγκο (2ος νόμος Gay-Lussac) Έχει βρεθεί πειραματικά ότι η πίεση ενός αερίου που θερμαίνεται ενώ ο όγκος του διατηρείται σταθερός αυξάνεται γραμμικά ( + θ ) P P 1 a 0 Γ) Νόμος Boyle-Mariotte P 1 V1 P2 V 2 Έχει βρεθεί πειραματικά ότι όταν η θερμοκρασία ενός αερίου παραμένει σταθερή το γινόμενο της πίεσης P επί τον όγκο V μιας ορισμένης μάζας αερίου παραμένει σταθερή: 11

12 όταν ψύξουμε ένα ιδανικό αέριο στους -273 ο C ενώ ταυτόχρονα διατηρούμε την πίεσή του σταθερή ο όγκος του μηδενίζεται. Απόλυτος θερμοκρασία αν ψύξουμε ένα ιδανικό αέριο στους -273 ο C ενώ ταυτόχρονα διατηρήσουμε την πίεσή του σταθερή ο όγκος του μηδενίζεται. Ηθερμοκρασίααυτή(-273 ο C) όπουοόγκοςήηπίεσηενός ιδανικού αερίου μηδενίζεται ονομάζεται απόλυτο μηδέν. Αν θεωρήσουμε μια κλίμακα θερμοκρασιών με αρχή το -273 ο C τότε η θερμοκρασία που μετριέται σε αυτήν την κλίμακα ονομάζεται απόλυτος θερμοκρασία και κάθε βαθμός σε αυτήν την κλίμακα ονομάζεται Kelvin (K). Προφανώς η απόλυτη θερμοκρασία (Τ) συνδέεται με τη θερμοκρασία Κελσίου (θ) με τη σχέση: Τ-273+θ 12

13 Χρησιμοποιώντας την απόλυτη θερμοκρασία μπορούμε να γράψουμε τους νόμους Gay-Lussac ως εξής: 1 ος νόμος Gay-Lussac 2 ος νόμος Gay-Lussac V V T T Boyle-Mariotte Gay-Lussac: δηλαδή αν μεταβάλλουμε την πίεση, τον όγκο και τη θερμοκρασία δεδομένης ποσότητας αερίου η τιμή του μεγέθους παραμένει σταθερή PV T A A PV T n R P V T P P T T nμάζα του αερίου εκφρασμένη σε γραμμομόρια γραμμομόριο (mol) είναι η μάζα τόσων γραμμαρίων από το αέριο όσο είναι το μοριακό του βάρος. (Μοριακό βάρος Μ μιας ουσίαςείναιτοπηλίκοτηςμάζαςενός μορίου δια της μάζας του ατόμου του υδρογόνου) R PV nrt 0.082lit atm / mol grad R μια σταθερά που η τιμή της είναι ανεξάρτητη τόσο από τημάζαόσοκαιαπότηφύσητουαερίου καιγιαυτό ονομάζεται παγκόσμια σταθερά των ιδανικών 13 αερίων.

14 Μετατροπές φάσης Τήξη Τήξη ονομάζεται η μετάβαση ενός υλικού από την στερεά στην υγρή φάση. Η θερμοκρασία στην οποία πραγματοποιείται αυτή η μετάβαση ονομάζεται σημείο τήξεως. Η μεταβολή φάσης συνοδεύεται πάντα από απορρόφηση ή έκλυση θερμότητας η οποία ονομάζεται λανθάνουσα θερμότητα Η θερμότητα η οποία απαιτείται για να λιώσει 1gr κάποιου υλικού το οποίοβρίσκεταιστηθερμοκρασίατήξεωςτηνονομάζουμε λανθάνουσα θερμότητα τήξεως (λ). για να λιώσουν m γραμμάρια κάποιου υλικού απαιτείται θερμότητα Q ίση προς : Q λ m Η ταχύτητα αύξησης της θερμοκρασίας του στερεού εξαρτάται από την ειδική θερμότητά του. Ομοίως και η ταχύτητα αύξησης της θερμοκρασίας του υγρού. Εν γένει οι ειδικές αυτές θερμότητες είναι διαφορετικές οι κλίσεις των ευθειών α και β θα είναι διαφορετικές Q μέση θερμοχωρητικότητα θ f θi Εννοια ειδικής θερμότητας Η θερμοχωρητικότητα ενός σώματος ανά μονάδα μάζας ονομάζεται ειδική θερμοχωρητικότητα και είναι η θερμότητα που απαιτείται για τη μεταβολή της θερμοκρασίας της μονάδας μάζας μιας ουσίας κατά ένα βαθμό. Η ειδική θερμοχωρητικότητα συνήθως μετριέται σε JKg-1deg-1 14

15 Μεταβολή του όγκου κατά την πήξη και τήξη Παρατηρούμε ότι για θερμοκρασίες μικρότερες του σημείου τήξεως (0 ο C) όταν αυξάνεται η θερμοκρασία αυξάνεται και ο όγκος (θερμική διαστολή του πάγου). Στο σημείο τήξεως παρατηρείται απότομη ελάττωση του όγκου από την τιμή Vστερεό στην τιμή Vυγρό. Στην περιοχή μεταξύ 0 ο C και +4 ο C ο όγκος του νερού ελαττώνεται ελαφρά (ανωμαλία διαστολής νερού) και πέραν των +4 ο C οόγκοςαυξάνεται και πάλι (θερμική διαστολή νερού). Η απότομη αύξηση του όγκου κατά την πήξη εξηγεί το φαινόμενο κατά το οποίο θραύονται για παράδειγμα οι σωλήνες ύδρευσης κατά τις πολύ ψυχρές νύχτες αν δεν προνοήσουμε να αφήσουμε το νερό να ρέει διαρκώς οπότε αυτό δεν προλαβαίνει να στερεοποιηθεί. Ομοίως για την πρόληψη καταστροφής των ψυγείων των αυτοκινήτων κατά τον χειμώνα και αν πρόκειται να παραμείνουν ακίνητα για καιρό επιβάλλεται να αφαιρείται το νερό ή να αντικαθίσταται από κατάλληλο υγρό το οποίο πήζει σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία (αντιπηκτικά υγρά) 15

16 Επίδραση της πίεσης στο σημείο τήξεως Το σημείο τήξεως μεταβάλλεται με την πίεση, όμως αυτή η μεταβολή είναιπολύμικρήκαισυνεπώςγιαμικρέςμεταβολέςτηςπίεσης μπορεί να θεωρηθεί σταθερό. Ονομάζουμε κανονικό σημείο τήξεως το σημείο τήξεως ενός υλικού υπό πίεση 760 Τοrr. Παρατηρούμε ότι ενώ για πίεση μιας ατμόσφαιρας το σημείο τήξεως είναι 0 ο C αυτό ελαττώνεται όταν αυξάνεται ηπίεση. Η γραμμή που δίδει τη σχέση μεταξύ πίεσης και σημείου τήξεως ονομάζεται καμπύλη τήξεως. 16

17 Επίδραση διαλυμένων ουσιών στο σημείο πήξεως Το σημείο πήξεως ενός υγρού ελαττώνεται όταν εντός αυτού διαλύσουμε κάποιο άλλοσώμα. Καθαρό νερό Σημείο πήξεως: 0 ο C Καθαρό νερό + χλωριούχο νάτριο: Σημείο πήξεως : έως και -20 ο C Εφαρμογή αυτού του φαινομένου έχουμε στα αντιπηκτικά υγρά που χρησιμοποιούνται στα ψυγεία των αυτοκινήτων. Επίσης, έτσι εξηγείται και ο λόγος για τον οποίο αν ρίξουμε αλάτι σε επιφάνειες καλυμμένες με πάγο π.χ πεζοδρόμια ή δρόμους προκαλείται τήξη του πάγου παρότι η θερμοκρασία είναι μικρότερη του μηδενός. 17

18 εξάτμισηήεξαέρωση: Η μετάβαση από την υγρή φάση στην αέρια υγροποίηση : Η μετάβαση από την αέρια φάση στην υγρή αερόκενο δοχείο εντός του οποίου έχουμε εισάγει μικρή ποσότητα υγρού. Το υγρό εξατμίζεταιι πολύ γρήγορα και ένα μανόμετρο μετρά την πίεση (την τάση) των παραγόμενων ατμών Εάν βάλουμε μέσα στο δοχείο και άλλη ποσότητα υγρού τότε αυτή θα εξαερωθεί και το μανόμετρο θα δείξει μεγαλύτερη πίεση Συνεχίζοντας την εισαγωγή υγρού θα παρατηρήσουμε ότι θα έλθει κάποια στιγμή που η επιπλέον ποσότητα υγρού που εισάγουμε δεν εξαερώνεται αλλά παραμένει στην υγρή φάση ενώ ταυτόχρονα η πίεση παύει να αυξάνεται. Αυτό συμβαίνει διότι ο χώρος δεν δύναται να περιλάβει περισσότερους ατμούς, είναι δηλαδή κορεσμένος σε ατμούς. Κατ επέκταση οι περιεχόμενοι ατμοί ονομάζονται κορεσμένοι ατμοί, ηδε μετρούμενη πίεσή τους ονομάζεται τάση κορεσμένων ατμών. 18

19 ητάσητωνκορεσμένωνατμώνδενεξαρτάταιαπό την περιεχόμενη ποσότητα υγρού Επίσηςητάσητωνκορεσμένωνατμώνδεν εξαρτάται από τον όγκο Πράγματι: κρατάμε σταθερή τη θερμοκρασία και εισάγουμε τόση ποσότητα υγρού ώστε αφού εξαερωθεί μέρος αυτής, να παραμείνει μέσα στο δοχείο λίγο υγρό. Το μανόμετρο θα δείχνει την τάση κορεσμένων ατμών (Ι) Εάν αυξήσουμε τον όγκο (ανυψώνοντας το έμβολο (II)) θα εξαερωθεί και άλλη ποσότητα υγρού η πίεση όμως θα παραμείνει αμετάβλητη. Εάν εξακολουθήσουμε να αυξάνουμε τον όγκο μέχρις ότου εξαντληθεί όλο το υγρό θα παρατηρήσουμε ότι περαιτέρω αύξηση του όγκου συνοδεύεται από ελάττωση της πιέσεως. Οι ατμοί είναι πλέον ακόρεστοι. Κριτήριο λοιπόν του κόρου είναι η συνύπαρξη του υγρού και των ατμών του 19

20 η τάση κορεσμένων ατμών αυξάνεται όταν αυξάνεται η θερμοκρασία Για παράδειγμα, η τάσηκορεσμένωνατμών του νερού στη θερμοκρασία περιβάλλοντος είναι σχετικώς μικρή (περίπου 20 Torr) ενώ στους 100 ο C είναι ίση προς 760 Τοrr. Πτητικά υγρά : Υγρά των οποίων η τάση κορεσμένων ατμών είναι σχετικώς μεγάλη (όπως ο αιθέρας ο οποίος ήδη στη θερμοκρασία των 35 ο C έχει τάση κορεσμένων ατμών ίση με 760 Torr) 20

21 Απαραίτητες συνθήκες για εξάτμιση Αν η ένδειξη του μανόμετρου παραμένει σταθερή δεν λαμβάνει πλέον χώρα εξαέρωση, πρόκειται δηλαδή για μια κατάσταση ισορροπίας. Στην κατάσταση αυτή η πίεση των ατμών που βρίσκονται πάνω από την ελεύθερη επιφάνεια του υγρού (την οποία και μετρά το μανόμετρο) είναι εξ ορισμού ίση με την τάση κορεσμένων ατμών του υγρού στη θερμοκρασία στην οποία βρίσκεται. Συνθήκη ισορροπίας: P P ατμοι κ. a Εάν για οποιοδήποτε λόγο διαταραχθεί η κατάσταση ισορροπίας το υγρό θα αρχίσει να εξατμίζεται. ελάττωση της πίεσης των ατμών που βρίσκονται πάνω από την επιφάνεια του υγρού, π.χ αυξάνοντας τον όγκο τους, αύξηση της θερμοκρασίας του υγρού (οπότε θα αυξηθεί η τάση κορεσμένων ατμών του υγρού), Η εξάτμιση θα συνεχιστεί μέχρις ότου οι δύο πιέσεις γίνουν πάλι ίσες. 21

22 ο ατμοσφαιρικός αέρας θεωρείται μίγμα ξηρού αέρα και ατμών νερού (υδρατμούς). Η ατμοσφαιρική πίεση είναι το άθροισμα της πίεσης του ξηρού αέρα και της πίεσης των ατμών του νερού η οποία ονομάζεται πίεση ή τάση των ατμών P P + atm a P v Έτσι στην περίπτωση νερού που είναι εκτεθειμένο στην ατμόσφαιρα το κριτήριο εξάτμισης διατυπώνεται ως εξής: η τάση των κορεσμένων ατμών του (στη θερμοκρασία του νερού) πρέπει να είναι έστω και ελάχιστα μεγαλύτερη από την πίεση των ατμών στον αέρα. P κ. a P T 22

23 Ταχύτητα εξατμίσεως εξαρτάται από τη διαφορά της τάσης των κορεσμένων ατμών και της μερικής πίεσηςτωνατμώνστηνεπιφάνειατου υγρού. Όσο η εν λόγω διαφορά αυξάνεται, η ταχύτητα εξατμίσεως αυξάνεται και αντιθέτως μηδενίζεται όταν η διαφορά γίνει ίση με το μηδέν. P κ. a P T Επειδή κοντά στην επιφάνεια του υγρού η κατάσταση που επικρατεί λίγο διαφέρει από την κατάσταση κόρου, η ταχύτητα εξατμίσεως είναι σχετικώς μικρή και εξαρτάται από την ταχύτητα με την οποία οι ατμοί απομακρύνονται από την επιφάνεια του υγρού. Τα παραπάνω αναφερθέντα καθορίζουν τους τρόπους με τους οποίους μπορούμε να επιταχύνουμε τη ξήρανση ενός υφάσματος που έχει υγρανθεί. πρέπει να αυξήσουμε την τάση κορεσμένων ατμών του υγρού (που έχει απορροφήσει το ύφασμα) ή να ελαττώσουμε τη μερική πίεση των ατμών του υγρού κοντά στην επιφάνεια του υφάσματος. Η αύξηση της τάσης των κορεσμένων ατμών επιτυγχάνεται αυξάνοντας τη θερμοκρασία του υφάσματος η ελάττωση της μερικής πίεσης των ατμών επιτυγχάνεται φέρνοντας το ύφασμα σε ξηρό περιβάλλον. Παράδειγμα: μια βρεγμένη μπλούζα θα στεγνώσει πολύ πιο γρήγορα σε ξηρό αέρα παρά σε υγρό. Αν ο αέρας είναι κορεσμένος με υδρατμούς, δεν πρόκειται να στεγνώσει καθόλου. 23

24 ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΕΞΑΕΡΩΣΗΣ Κατά την εξάτμιση εγκαταλείπουν το υγρό τα ταχυτέρα μόρια του (με την μεγαλύτερη κινητική ενέργεια) Ημέσηκινητικήενέργειαπέφτει το υγρό ψύχεται Ηεξάτμισηέχειψυκτικήεπίδρασηστουγρό (μειώνεται η θερμοκρασία του) Αν θέλουμε να διατηρηθεί η θερμοκρασία κατά τη διάρκεια της εξαέρωσης πρέπει να προσφέρεται θερμότητα 24

25 ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΕΞΑΕΡΩΣΗΣ Κατά την εξάτμιση καταναλίσκεται θερμότητα Λανθάνουσα θερμότητα εξαέρωσης L: H θερμότητα που απαιτείται για να μετατραπεί σε ατμό 1gr νερού (υπό την κανονική θερμοκρασία ζέσεως) 539 θερμίδες κανονικό σημείο ζέσεως ή θερμοκρασία ζέσεως: Η θερμοκρασία εκείνη κατά την οποία η τάση κορεσμένων ατμών ενός υγρού είναι ίση με 1Atm 1 gr νερού θ100 ο C ατμός Όταν ένα γραμμάριο ατμού (θερμοκρασίας θ100 ο C) μετατραπεί σε υγρό της ίδιας θερμοκρασίας θα ΑΠΟ ΩΣΕΙ θερμότητα ίση με 539 θερμίδες Για να εξαερωθεί υγρό μάζας m πρέπει να του προσφέρουμε θερμότητα Q: Q L m Ηεξάτμισηέχειψυκτικήεπίδρασηστουγρό (μειώνεται η θερμοκρασία του) Μειώνεται η πίεση των κορεσμένων ατμών του Μειώνεται ο ρυθμός εξάτμισης μέχρις ότου επιτευχθεί ψευδοσταθερή κατάσταση 25

26 Εξάχνωση Εξάχνωση ονομάζεται το φαινόμενο της απευθείας μετάβασης ενός υλικού από τη στερεά κατάσταση στην αέρια χωρίς να μεσολαβήσει υγρή φάση Στερεά φάση Αέρια φάση Τάση κορεσμένων ατμών του στερεού: Καμπύλη εξαχνώσεως: Σχέση μεταξύ της τάσης των ατμών ενός στερεού και της θερμοκρασίας Η τάση των ατμών του στερεού παραμένει σταθερή και σε αυτήν την κατάσταση συνυπάρχουν σε ισορροπία στερεό και αέριο Καμπύλη εξαχνώσεως για τον πάγο 26

27 Ισορροπία φάσεων-τριπλό σημείο Στοτριπλόσημείοσυνυπάρχουνκαιοιτρειςφάσειςσεισορροπία 27

28 Υγροποίηση αερίων Υγρή φάση Αέρια φάση Για μετάβαση από την υγρή φάση στην αέρια απαιτείται: αύξηση θερμοκρασίας ή αύξηση του όγκου Για μετάβαση από την αέρια φάση στην υγρή απαιτείται: μείωση θερμοκρασίας (ψύξη αερίου) ή μείωση του όγκου (συμπίεση αερίου) Μόρια αερίου Όταν οι αποστάσεις τους γίνουν μικρές εμφανίζονται ελκτικές δυνάμεις Van der Waals επιταχύνεται η προσέγγισή τους Όταν τα μόρια διεισδύουν το ένα στο άλλο τα ηλεκτρονικά τους νέφη συμπλέκονται, οι πυρήνες κάνουν αισθητή την παρουσία τους και οι δυνάμεις γίνονται απωστικές. Τα μόρια αποχωρίζονται και κινούνται με την ενέργεια που είχαν αρχικά. Αν συναντηθούν 3 μόρια μπορεί το ένα να αποχωριστεί και τα άλλα δύο να μείνουν συνδεδεμένα υγροποίηση. Η αρχική ενέργεια του κάθε μορίου πρέπει να είναι μικρή (ψύξη) Ηκρούση3 μορίων πιθανότερη: μεγαλύτερη πυκνότητα (συμπίεση) Υγρή φάση Αέρια φάση ΥΓΡΟ ΑΕΡΙΟ 28

29 Υγροποίηση αερίων Κρίσιμο σημείο Καμπύλη κόρου Οι ισόθερμες του Andrews για το διοξείδιο του άνθρακα. ( Η κλίμακα των πιέσεων είναι ανομοιόμορφη) Αέρια των οποίων η κατάσταση παριστάνεται από σημεία που βρίσκονται κοντά στην καμπύλη κόρου ονομάζονται ατμοί 29

30 Υγρασία Ατμοσφαιρικός αέρας Ξηρός αέρας + P P + Ατμοί νερού (υδρατμοί) atm P Πίεσηήτάσηατμών Μικρό ποσοστό των συνολικών μορίων του αέρα a v Απόλυτη υγρασία της ατμόσφαιρας Το πηλίκο της μάζας των υδρατμών που υπάρχουν σε δεδομένο όγκο ατμοσφαιρικού αέρα προς τον όγκο αυτόν h m V Αν είναι γνωστή η απόλυτη υγρασία ποια είναι ημερικήπίεσητωνυδρατμών; 30

31 Επειδή οι υδρατμοί της ατμόσφαιρας είναι αραιοί συμπεριφέρονται ως ιδανικό αέριο Για μια δεδομένη θερμοκρασία, η πίεση των υδρατμών της ατμόσφαιρας δεν μπορεί να υπερβεί την τάση κορεσμένων ατμών της ατμόσφαιρας στην εν λόγω θερμοκρασία P max P κ.υ pv m m h Mol m V R T Μερική πίεση υδρατμών Άρα για κάθε θερμοκρασία προκύπτει μια μέγιστη τιμή απόλυτης υγρασίας (η απόλυτη υγρασία της ατμόσφαιρας όταν αυτή είναι κορεσμένη) h κ. υ p p κ. υ h R T m Mol h max h κ.υ m R T Mol Όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία τόσο μεγαλύτερη είναι η απόλυτη υγρασία στην κατάσταση κόρου (h κ.υ ) και συνεπώς τόσο περισσότερους υδρατμούς μπορεί να συγκρατήσει η ατμόσφαιρα 31

32 Σχετική υγρασία Το πηλίκο της ποσότητας της απόλυτης υγρασίας που περιέχει ο αέρας σε μια δεδομένη θερμοκρασία και πίεση προς το μέγιστο δυνατό ποσό υγρασίας που μπορεί να κατακρατήσει σε αυτή τη θερμοκρασία και πίεση H h h κ. υ 100% πηλίκο της μάζας m των υδρατμών που υπάρχουν σε ορισμένο όγκο V του ατμοσφαιρικού αέρα δια της μάζας των υδρατμών που θα έπρεπε να περιέχει αυτόςοόγκοςτουατμοσφαιρικούαέραγιαναείναι κορεσμένος, υπό την ίδια θερμοκρασία H m m T Η σχετική υγρασία παρέχει το μέτρο του κατά πόσο η ατμόσφαιρα είναι κοντά ή όχι στην κατάσταση κόρου (σχετική υγρασία 100%). Κυμαίνεται από 0 γιαξηρόαέραμέχρι1 για κορεσμένο αέρα Μια πολύ σημαντική ιδιότητα των ινών η ανάκτηση εξαρτάται από τη σχετική υγρασία Ησχετικήυγρασίαμπορείναγραφτείκαιως το πηλίκο της υπάρχουσας μερικής πίεσης p τωνυδρατμώνδιατηςτάσεωςκορεσμένων ατμών, υπό την αυτήν θερμοκρασία H p p T Όταν η Τ αυξάνεται η σχετική υγρασία μειώνεται διότι η τάση κορεσμένων ατμών αυξάνεται. Άρα ησχετικήυγρασίαμεταβάλλεταιμετηντακόμη 32 καιανηαπόλυτηυγρασίαπαραμένεισταθερή

33 Υγροσκοπικές ιδιότητες των ινών Περιεχόμενη υγρασία (Moisture Content) Ο λόγος της μάζας του νερού που έχει απορροφήσει ως προς τη συνολική μάζα του M W W + D Μάζα υγρού που έχει απορροφηθεί Μάζα ξηρού δείγματος (δείγμα χωρίς καθόλου υγρασία) Ανάκτηση (Regain) ενός υλικού Ο λόγος της μάζας του νερού που έχει απορροφήσει ως προς τη μάζα του δείγματος χωρίς καθόλου υγρασία Η ανάκτηση ενός κλωστοϋφαντουργικού υλικού εξαρτάται μεταξύ άλλων όχι ακριβώς από την απόλυτη υγρασία (δηλαδή το ποσό των υδρατμών ανά μονάδα όγκου) αλλά από τη σχετική υγρασία (δηλαδή από τη σχετική τους ποσότητα σε κατάσταση κορεσμού της ατμόσφαιρας). h m V H m m Η ανάκτηση επηρεάζει τις ιδιότητες των υφασμάτων T W R D Στους ελέγχους ποιότητας των υφασμάτων πρέπει να καθορίζονται οι περιβαλλοντικές συνθήκες 33

34 Σχέση μεταξύ ανάκτησης και σχετικής υγρασίας Ισορροπία Όταν μια ίνα βρεθεί σε συγκεκριμένο περιβάλλον θα απορροφήσει ή θα αποβάλλει υγρασία με ρυθμό ο οποίος σταδιακά ελαττώνεται, μέχρις ότου δεν παρατηρείται περαιτέρω μεταβολή, οπότε λέμε ότι έχει επέλθει ισορροπία Το δείγμα που αρχικά είχε μεγαλύτερη τιμή ανάκτησης παρουσιάζει μεγαλύτερη τιμή ανάκτησης και στην ισορροπία σε σύγκριση με το άλλο δείγμα. Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως υστέρηση 34

35 Η συμπεριφορά των υφασμάτων συνήθως μελετάται από τις καμπύλες ανάκτησης σαν συνάρτηση της σχετικής υγρασίας Η καμπύλη Α είναι η καμπύλη απορρόφησης δηλαδή η ανάκτηση σαν συνάρτηση της σχετικής υγρασίας καθώς το υλικό απορροφά υγρασία από το περιβάλλον. ΗκαμπύληD είναι η καμπύλη αποβολής που αντιστοιχεί στην αποβολή (desorption) υγρασίας στο περιβάλλον οι δύο καμπύλες έχουν σχήμα S η καμπύλη αποβολής δεν συμπίπτει με την καμπύλη απορρόφησης το σημείο b αντιστοιχεί στην ισορροπία για 65% σχετική υγρασία όταν αυτή επιτυγχάνεται ακολουθώντας την καμπύλη D ενώ το σημείο α είναι το σημείο ισορροπίας για την ίδια σχετική υγρασία αλλά ακολουθώντας την καμπύλη Α. Έναδείγματοοποίοέχειαπορροφήσειυγρασία65% (σημείο α στο σχήμα), θα ακολουθούσε μια ενδιάμεση καμπύλη (τη διακεκομένη στο σχήμα) εάν η ατμόσφαιρα γινόταν λιγότερο υγρή. 35

36 Καμπύλες απορρόφησης κλωστοϋφαντουργικών υλικών Οι καμπύλες παρουσιάζουν την ίδια S μορφή για όλα τα υλικά εκτός από το ασετέϊτ Το μαλλί και το ραιγιόν βισκόζης παρουσιάζουν παρόμοιες καμπύλες απορρόφησης. Οι συνθετικές ίνες παρουσιάζουν μικρή ανάκτηση. Το συνθετικό νάυλον παρουσιάζει μικρή απορροφητικότητα, έχειπερίπουτημισήανάκτησηαπό το βαμβάκι και αυτός είναι ο λόγος που υπάρχει δυσκολία στην επεξεργασία αυτών των υλικώ Το βαμβάκι έχει καμπύλη απορρόφησης ανάμεσα στο μαλλί, στο ραιγιόν βισκόζης και στις συνθετικές ίνες. Καμπύλες απορρόφησης για διάφορα υλικά.wμαλλί Vβισκόζη, C βαμβάκι Aασετέιτ, Ννάυλον 36

37 Η σχετική υγρασία Παράγοντες που επηρεάζουν τηνανάκτηση ενός υλικού Ο χρόνος: προφανώς, απαιτείται συγκεκριμένος χρόνος μέχρις ότου ένα υλικό σε συγκεκριμένο περιβάλλον να έρθει σε κατάσταση ισορροπίας. Αυτός ο χρόνος προσαρμογής εξαρτάται από ορισμένους παράγοντες όπως: το μέγεθος του δείγματος το είδος του υλικού του δείγματος εξωτερικές συνθήκες κλπ H ιστορία του δείγματος: η πρότερη ιστορία του δείγματος επηρεάζει την ανάκτηση ισορροπίας, όπως για παράδειγμα το φαινόμενο της υστέρησης. Επίσης η επεξεργασία μπορεί να μεταβάλλει την ανάκτηση, όταν για παράδειγμα έλαια, κεριά και άλλες ατέλειες απομακρυνθούν από το δείγμα η ανάκτηση ενδέχεται να μεταβληθεί. Η θερμοκρασία: Η θερμοκρασία επηρεάζει την ανάκτηση (με την αύξηση της θερμοκρασίας η ανάκτηση μειώνεται). Ωστόσο, πρακτικά η επίδραση της θερμοκρασίας είναι ελάχιστη. Για παράδειγμα η μεταβολή της ανάκτησης στο βαμβάκι είναι μόλις 0.3% για μεταβολή στη θερμοκρασία 10oC επίδραση της θερμοκρασίας στην απορρόφηση υγρασίας από το βαμβάκι. ηλαδή η ανάκτηση σε συνθήκες ισορροπίας, για μια δεδομένη σχετική υγρασία επηρεάζεται ελάχιστα από την θερμοκρασία 37

38 Επίδραση της ανάκτησης στις ιδιότητες των ινών Κεφάλαιο Ε Κεφάλαιο Γ Στις ηλεκτρικές ιδιότητες των ινών Στις μηχανικές ιδιότητες των ινών Ηαπορρόφησητωνμορίωννερούέχειως αποτέλεσματηνελάττωσητωνδυνάμεωνπου συγκρατούν μεταξύ τους τις μοριακές αλυσίδες των ινών, με αποτέλεσμα την αποδυνάμωση της ίνας. Σημαντική εξαίρεση αποτελούν οι φυτικέςίνεςόπωςτοβαμβάκικαιτολινάρι όπου παρατηρείται ενίσχυση της ίνας. Η επίδραση της υγρασίας στην ηλεκτρική αντίσταση των κλωστοϋφαντουργικών υλικών είναι μεγάλη. Ο λόγος της ηλεκτρικής αντίστασης όταν η ανάκτηση είναιμικρήκαιότανηανάκτησηείναιμεγάλημπορείνα είναι 100 ή και1000 προς 1, γεγονός το οποίο οδήγησε στο σχεδιασμό υγρόμετρων που βασίζονται στη μέτρηση της τιμή της αντίστασης των ινών Άλλες ηλεκτρικές ιδιότητες που επηρεάζονται από το ποσό της υγρασίας σε υλικά είναι οι διηλεκτρικές ιδιότητες και η επιδεκτικότητά τους σε προβλήματα στατικού ηλεκτρισμού. Στις θερμικές ιδιότητες των ινών Στις διαστάσεις των ινών Κεφάλαιο Β όταν τα κλωστοϋφαντουργικά υλικά απορροφούν υγρασία παράγεται θερμότητα. Η θερμότητα αυτή ονομάζεται θερμότητα απορρόφησης και έχει ιδιαίτερη πρακτική σημασία. 38

39 Επίδραση της ανάκτησης στις διαστάσεις των ινών Εγκάρσια διαστολή της διαμέτρου μιας ίνας: ο λόγος της μεταβολής διαμέτρου D μιας ίνας ως προς την αρχική διάμετρο D Επειδή οι ίνες έχουν πολύ μικρή διάμετρο οι μετρήσεις της μεταβολής της δεν είναι εύκολες. Η ακρίβειατης μεθόδου που χρησιμοποιεί μικροσκόπιο περιορίζεται από τη διακριτική ικανότητα του μικροσκοπίου η οποία είναι της τάξης μεγέθους του μήκους κύματος του φωτός που χρησιμοποιείται (περίπου 0.5 μm). Γραμμική διαστολή (επιμήκυνση) Μπορεί να μετρηθεί κρεμώντας ένα μικρό βάρος και μετρώντας τη διαφορά στο μήκος του νήματος με ένα μικροσκόπιο ΔD S D D Κατά συνέπεια, αν εξετάζεται ένα νήμα διαμέτρου 20 μm τότε είναι δυνατόν να διακριθούν λεπτομέρειες μέχρι 1/40 της διαμέτρου της ίνας. Αν όμως η διαστολή της διαμέτρου είναι 10%, (δηλαδή 2μm) τότε αυτή θα είναι δυνατόν να μετρηθεί με ακρίβεια μόλις 0.5μm στα 2μm. Αυτό σημαίνει ότι το σφάλμα είναι της τάξης του 25%! Δl S l l Εγκάρσια διαστολή της επιφάνειας μιας ίνας ιαστολή κατ όγκο ΔA S A A ΔV S V V Ηδιόγκωσημπορείναμετρηθεί μετρώντας την ανάκτηση και την πυκνότητα του δείγματος 39

40 Τιμές διόγκωσης για διάφορες κλωστοϋφαντουργικές ίνες όταν αυτές εμβαπτίζονται σε νερό Ίνα Βαμβάκι Φλαξ Γιούτα Βαμβάκι μερσεριζέ Εγκάρσια διόγκωση(%) Διάμετρος Επιφάνεια 20,23,7 40,42, , ,24 Επιμήκυνση( %) 0.1, Διόγκωση κατ όγκο(%) υπάρχουν σημαντικές διαφορές στις τιμές που έχουν βρεθεί για ένα συγκεκριμένο υλικό. Επίσης σε αρκετές περιπτώσεις παρατηρούνται διαφορές ανάμεσα στις πειραματικές τιμές και στις τιμές που προκύπτουν από τις εξισώσεις. Αυτές οι διαφορές αντικατοπτρίζουν σε ένα βαθμό τις πειραματικές δυσκολίες στη μέτρηση της διαστολής αλλά οφείλονται και σε διαφορές στα δείγματα που χρησιμοποιούνται για δεδομένο τύπο ίνας. Ραιγιόν βισκόζης Φορτισάν Ασετέιτ Μαλλί Μετάξι 25,35,52 9,11, , ,16.3, ,65, ,8 25, , , , ,117,115 36,37,41 30,32 οι τιμές της διαστολής κατ όγκο μεταβάλλονται ανάμεσα στους διάφορους τύπους ινών με τον ίδιο τρόποόπωςκαιοιτιμέςτηςανάκτησης, όπως άλλωστε αναμένεται. ηλαδή εκείνες οι ίνες που έχουν μεγάλη απορροφητικότητα διογκώνονται περισσότερο. Νάυλον 1.9, , , ,

41 Η εξάρτηση της διαστολής από την υγρασία συνήθως είναι παρόμοια με εκείνην της ανάκτησης με μια υστέρηση ανάμεσα στη διαστολή και την υγρασία 41