OBCHODNÍ AKADEMIE ORLOVÁ Znojmo 2006 P Ř ÍRODOV Ě DNÝ

OBCHODNÍ AKADEMIE ORLOVÁ
PŘÍRODOVĚDNÝ SEMINÁŘ
UČEBNÍ TEXT PRO DISTANČNÍ FORMU VZDĚLÁVÁNÍ
PETR
KUDLÁČEK
VÁCLAV
SVOBODA
Znojmo 2006
Obsah:
Kapitola
Úvod
1. Doprava
1.1 Pozemní doprava
1.2 Železniční doprava
1.3 Vodní doprava
1.4 Letecká a raketová doprava
2. Vodní hospodářství
2.1 Vodní zdroje
2.2 Úpravna vody
2.3 Čistírny odpadních vod
3. Přístroje užívané v domácnosti
4. Chemie v běžném životě
4.1 Detergenty
4.2 Čištění a úklid v domácnosti, běžné práce
strana
3
4
4
19
22
25
33
33
34
40
46
50
50
55
Úvod
Často se setkáváme s názorem, že škola nadměrně zatěžuje studenta
zbytečně podrobnými informacemi, trvá na množství požadovaných
znalostí, jejich memorování bez hlubokého pochopení vzájemných
souvislostí. Přírodní vědy a jejich neustále hlubší pohled na děje kolem nás
jsou takto osočovány také. Je nutné si ale uvědomit, že právě přírodní vědy
umožnily lidstvu dospět technicky tam, kde jsme a nenesou vinu na tom, jak
jednotlivý člověk či skupina s jejich poznatky zachází.
Přírodovědný seminář má za cíl ukázat některé momenty, kdy
v běžném životě organicky využíváme poznatků přírodních věd, aniž si to
kdo uvědomí. Kde tedy jsou uplatněny přírodovědné poznatky v našem
každodenním životě? Pojďme si naše běžné činnosti zmapovat s důrazem na
přírodní vědy – nemůžeme postihnout vše, ale některé oblasti jsou velmi
zajímavé. Proto si vždy v určité oblasti rozebereme některé aspekty naší
každodenní činnosti. Soustředíme se na oblasti, které souvisí s naším
oborem.
Doprava
Všichni se nějakým způsobem každý den přepravujeme z místa
na místo. Ideální je jít pěšky. Protože ale tento způsob přepravy
může zvolit jen ten, jehož pracoviště je velmi blízko jeho
bydliště, musíme my ostatní volit jiný způsob dopravy. Každý
z nás volí některý způsob dopravy dle okolností: pěšky, na kole,
individuální cesta motorovým vozidlem, hromadná doprava autobusem,
vlakem či letecká a někde i cesta lodí. V budovách mohou být výtahy,
zdviže, pojízdné schody.V běžném životě společnosti dopravujeme velká
množství surovin, materiálů, výrobků, zvířat
i lidí na nejrůznější
vzdálenosti. Proveďme si rozbor hlavních dopravních prostředků.
Pozemní doprava
Automobilová doprava
Zážehový a vznětový motor, Wankelův motor, elektromotor,
převodovka, brzdy, benzín, nafta, oleje, vazelína.
Hegemonem automobilové dopravy jsou spalovací motory pístové. Jsou ale
vyvíjena i auta s elektromotory, pohonem na sluneční energii či auta na
vodík.
Každý z nás zná důvěrně stojan u
čerpací stanice s cenovou nabídkou
jednotlivých druhů pohonných hmot.
Málokdo ale při čerpání do nádrže
věnuje pozornost štítku u stojanu,
kde je specifikováno palivo přesněji
i s vymezením použitelnosti pro
určitý typ motoru i klimatických
podmínek. Přestože jak ve fyzice,
tak i v kurzu řízení motorového
vozidla je zařazen blok o typech
spalovacích motorů, tak nejsme
všichni schopni jednotlivé odlišnosti
popsat a znalosti prakticky použít.
Proto si stručně připomeňme
základní
rozdělení
spalovacích
motorů.
4
Vznětový a zážehový motor, Wankelův motor
Po našich silnicím jezdí ještě jednostopá motorová vozidla s dvoutaktním
motorem, ostatní motocykly a automobily mají čtyřtaktní zážehový nebo
vznětový motor.
1. zážehový motor
Na schématu č. 1 jsou zachyceny všechny čtyři doby:
sání x komprese x expanze x výfuk:
Schéma 1 : Pracovní cyklus motoru
Pracovní cyklus fyzikálně :
standardní podmínky jsou: teplota
prostředí T0, tlak p0,
a) při pohybu pístu z pozice 1 se
otevírá ventil I (sací) a do pracovního
prostoru válce se nasává směs ( páry
benzínu a vzduch, propanbutan apod.).
Objem pracovního prostoru se zvětší
z V1 na V2, tlak je roven tlaku okolí
(barometrický) a je víceméně stálý. Po
dosažení pozice 2 se sací ventil uzavře.
(na diagramu úsečka EA)
b) při návratu z pozice 2 do pozice 1 píst
adiabaticky stlačuje výbušnou směs
v pracovním prostoru – objem se zmenší
na V1 , tlak a teplota vzrostou na
hodnoty p1 a T1 . (křivka AB)
c) elektrická jiskra ze svíčky S zapálí směs. Nastane zvýšení tlaku
a teploty na hodnoty p2 a T2 (úsečka BC) a plyn se adiabaticky rozpíná
z objemu V1 na V2, tlak a teplota klesají na hodnoty p3 a T3 . (křivka
CD)
d) V bodě D je otevírá ventil II (výfukový) a tlak klesá na hodnotu p0 a
objem se nemění (úsečka DA). Pak píst při návratu do pozice 1 vytlačí
spaliny ven (úsečka AE) a celý cyklus je uzavřen.
Adiabatický děj je definován jako děj, při kterém plyn ve válci teplo
neodevzdává do okolí, ani je nepřijímá . My víme, že motor se při
činnost zahřívá – plyn není tepelně izolovaný od okolí. Posuzujeme ale
děj, který se odehrává dostatečně rychle tak, aby tepelná energie neměla
čas přejít z plynu do okolí a opačně. K tepelným ztrátám pochopitelně
dochází, ostatně jako vždy při práci jakéhokoli stroje.
V některých oblastech se ještě používají dvoutaktní motory. Jde
především o motocykly, sekačky na trávu, případně lodní motory pro
malé lodě. Při kompresi je současně nasáváno palivo do prostoru pod
válec a při expanzi je stlačováno a přepouštěcím kanálkem se dále
dostává do pracovního prostoru. Přitom vytlačuje spaliny ven
z pracovního prostoru. Horní plocha pístu je proto speciálně tvarována,
palivo (benzín) musí být obohaceno o olej (mazání prostoru pod pístem),
5
který je spálen a zplodiny vychází ven z motoru. Větší zatížení životního
prostředí znamenalo proto ústup tohoto typu motorů. I pro motocykly
jsou konstruovány čtyrtaktní motory.
Pracovní cyklus chemicky :
Automobilový benzín je směs uhlovodíků s rozhodujícím podílem
izooktanu a heptanu. Oktanové číslo, které je uváděné v názvu paliva
(například Natural 95 ) udává podíl izooktanu ve směsi. Dále benzín
obsahuje látky (aditiva), které zlepšují chod motoru. Každý benzín také
obsahuje vodu (nejčastěji zkondenzovanou z ovzduší) V zimním období
tato voda může zmrznout a vzniklý led by ucpal palivové potrubí.
Speciální přípravky, které můžeme přidávat do nádrže, nám zajistí
rozpuštění vody v benzínu a bezproblémový chod motoru v zimním
období.
2. Vznětový motor (Dieselův)
Na čerpací stanici je u stojanu napsáno označení Diesel. Je
nepřesné, protože palivo není žádná látka diesel, ale nafta.
Značení je poplatné zvyklostem a tradici německy mluvících
zemí. Podívejme se na motor blíže. Jeho konstrukce je odlišná od
motoru na benzín. Proč? Protože způsob vznícení je jiný. Nenajdeme
žádnou zapalovací svíčku, pouze žhavicí svíčku, která při nízkých
teplotách zvýší teplotu ve válci (před startem) na přijatelnou mez.
(Můžeme tedy použít schéma 1, mění se pouze význam svíčky.) Místo
karburátoru máme vstřikovací čerpadlo, které pod tlakem vstřikuje naftu
do pracovního prostoru válce. Celý motor je robustnější a i sluchem
rozeznáme charakteristický rozdíl mezi benzínovým a dieselovým
motorem. Pro náš obor je zajímavý tím, že je užíván jako záložní
jednotka pro výrobu elektrické energie pro záložní zdroje pro servery.
Pracovní cyklus Dieselova motoru:
Pracovní cyklus fyzikálně :
Standardní podmínky: teplota prostředí T0, tlak p0.
a) píst se pohybuje zleva doprava , nasává do pracovního prostoru
vzduch. Objem se zvětší z V0 na V2, tlak se nemění – má hodnotu p0.
(úsečka EA)
b) po dosažení dolní úvrati 2 se píst vrací zpět a nasátý vzduch je
adiabaticky stlačen na hodnotu p1 (děj AB). Na konci je vzduch
silně zahřátý
c) nyní do stlačeného a zahřátého vzduchu vstřikovací tryska vstřikne
naftu a ta hoří při stálém tlaku p, teplota se dále zvýší, objem se
zvětší na V1 (děj BC). Horká směs spálených plynů se adiabaticky
rozpíná, stlačuje píst doprava a koná práci (děj CD)
d) po dosažení dolní úvrati 2 (bod D) se otevírá výfukový ventil a píst
při návratu do polohy 1 vytlačuje spálené plyny z válce.( Děj DAE)
6
Pracovní cyklus chemicky :
Motorová nafta je směs alkanů C14 – C20. V jejím českém označení (NM 4
pro letní období a NM 22 pro zimní(listopad-březen)) je číslem udána
teplota, při které tuhne: NM při teplotě -4 oC, MN 22 při teplotě -22 oC,
v jiných státech při nižších teplotách jsou užívány další druhy. Velmi
podobné složení má i topná nafta (lehký topný olej), která je ale zatížena
jinou daňovou sazbou. Tím byl vytvořen prostor pro podvody. Dalším
pokusem o ekologičtější palivo byla směs nafty a rostlinných olejů – některé
okolní státy tento druh paliva neuznávaly či neuznávají (vlastní předpisy,
které stanovují povolené složení paliva). Druhým problémem je ekonomická
náročnost výroby těchto paliv. Také je zřejmé, že děje v motoru neprobíhají
takto ideálně, vlastnosti spalovaného paliva se pochopitelně mění s teplotou,
jejíž rozmezí je až 20000 C. I proto se změnou složení paliva musí být
provedeny konstrukční úpravy motoru a každý řidič by měl tankovat pouze
palivo, které je pro jeho typ motoru určené. Žádný motor není konstruován
pouze na rostlinné oleje a proto načerpat na lisovně rostlinných olejů plnou
nádrž není zatím reálné.
3. Wankelův motor
Jde o konstrukci rotačního motoru ze šedesátých let minulého
století. Zásadně se liší od způsobu funkce klasických pístových
motorů, které jsou užívány. Pístem je zde plochý rotor, který
rotuje ve středu komory.
Komora je oválná a lehce prohnutá ve svém středu. Rotor má tvar
trojúhelníku s oblými stranami a jeho vrcholy se trvale dotýkají stěny
komory.
Klikový mechanismus je nahrazen výstředníkovým převodem uvnitř skříně.
Převod určuje dráhu a směr pohybu rotoru v komoře.
Rotor je k výstupní hřídeli uchycen excentricky. Během jednoho otočení
7
rotoru se výstupní hřídel otočí třikrát. Zvolený tvar komory zajišťuje
kruhovou dráhu středu rotoru. Tři strany rotoru vymezují tři pracovní
komory. Objemy komor se během jediné otáčky
neustále mění.
Motor nepotřebuje klikovou hřídel ani ventily. Má málo pohyblivých částí:
samotný rotační píst a excentrickou hřídel.
Dvouválcový Wankelův motor :
Srovnání: klasický čtyřdobý zážehový motor vykonává čtyři cykly během
dvou otáček klikového hřídele, rotační motor projde všemi čtyřmi cykly
během jediné otáčky rotoru. Wankelův motor je tedy účinnější. V praxi se
ale projevily extrémní nároky na použité materiály. Dochází k opotřebení
styčných ploch a motor ztrácí účinnost.
V současné době probíhají zkoušky s novým typem paliva vodíkem .
Bližší informace o tomto typu motoru můžeme najít na stránkách
http://www.der-wankelmotor.de .
Převodovka
Pohyb pístu nebo rotoru je převáděn hřídelí do převodovky. To je
soustava ozubených kol, kterou ovládáme řadicí pákou (vybíráme
vhodný převod (vhodnou dvojici kol) podle způsobu a podmínek
jízdy. Další vývod hřídele je řemenicí převáděn na další zařízení
jako je např. alternátor. Ozubená kola a řemenice s řemeny jsou
nejpoužívanější při přenosu hnací síly motoru.
Vzpomeňte si na úlohy typu:
První ozubené kolo má 80 zubů, druhé 60 zubů. První kolo se otočilo 3 krát,
kolikrát se otočilo druhé kolo?
Jistě dokážete spočítat výsledek – druhé ozubené kolo se musí otočit 4 krát.
8
Model převodovky a současná podoba převodové skříně v regále servisu:
Motor má další pohyblivé součásti, které jsou tepelně namáhány a proto je
musíme mazat. Například píst, který jsme uváděli výše se ve válci pohybuje
značnou rychlostí, musí těsnit a současně mít co nejmenší tření. K zamezení
tření a současně k odvádění tepla slouží motorové oleje, které vytváří
tenkou vrstvu mezi kovovými plochami pístu a válce. Na pístu jsou osazeny
pístní kroužky, které jednak utěsňují prostor nad pístem, jednak stírají olej
(v pracovním prostoru nad válcem by shořel s ostatním palivem). Do všech
mazaných míst je olej vtláčen pod tlakem olejovým čerpadlem, přebytečný
odtéká zpět do prostoru ve spodní části motoru (olejová vana). Všechny
ostatní pohyblivé části jsou chráněny mazacími oleji nebo tuky. Každý olej
či tuk (vazelína) má své specifické vlastnosti podle toho, pro jaký provoz je
určen, v jakých podmínkách bude využíván. Je zřejmé, že jednou
z nejdůležitějších vlastností je viskozita (vnitřní tření molekul).Tato
vlastnost se mění s teplotou – s vyšší teplotou klesá. Proto jiné oleje užívá
stejný typ automobilu v severských státech a jiné v tropických oblastech.
9
V našich podmínkách jsou používány oleje, které jsou vhodné pro celoroční
provoz. Nelze přitom smíchávat oleje libovolně. Obvykle je používán olej
řady AD (aditivní oleje) – pro zvýšení viskozity je přidána polymerní
složka, dále látky zabraňující oxidaci ( vyšší trvanlivost) a látky, které
zabraňují usazování zplodin hoření ve válci. Pokud bychom změnili typ
oleje, tak může dojít k prudkému uvolnění usazenin a následnému zadření
motoru.
Do převodovek a dalších rozvodů jsou užívány převodové oleje, jejich
viskozita zabezpečí mazání i při nízkých teplotách (při startu) a nesmějí
obsahovat kyselé složky – způsobily by postupně korozi. Do ložisek jsou
určeny oleje vylepšené antioxidační přísadou (ložiska jsou velmi citlivou
součástí jak motoru, tak dalších částí vozidla. Musí zabezpečit trvalé
zajištění polohy těžiště v ose rotace (hřídele motoru, kola vozidla). Dalším
důležitým úkolem je odvádění přebytečného tepla mimo pracovní prostor –
nejčastěji do olejové vany ve spodní části motoru, některé typy vozidel ale
mají vlastní olejový chladič. Obvykle je ale motor konstruován tak, aby
proudění vzduchu pod vozidlem stačilo odvádět přebytečné teplo bez
dalších úprav. Vedle olejů získaných z ropy samozřejmě existují i jiné oleje,
zcela jiného složení i původu. Silnou skupinou jsou silikonové oleje, jejichž
makromolekulární struktura je tvořena řetězci střídajících se atomů křemíku
a kyslíku, vázaných jednoduchou vazbou (… – Si – O – Si – O – … ).
Křemík je čtyřvazný a na volná místa se váží různé uhlovodíkové zbytky ( CH3, -C2H5, -C3H8, -C4H10, atd.).
Právě charakterem těchto zbytků a délkou základního Si-O řetězce
jsou dány vlastnosti konkrétního silikonového oleje. Jsou tekuté, polotekuté
i pevné, používají se k mazání, jiné ale i například k utěsňování spojů.
Snesou i vysoké provozní teploty – na utěsnění motoru se užívá silikon,
u kterého výrobce uvádí použití až do 300 oC. Výhoda jejich užití spočívá
i ve snadné aplikovatelnosti – při nanášení z tuby je polotekutý, působením
vzdušného kyslíku ale vytvrdí (během krátké doby) do stavu podobného
gumě.
V obchodní nabídce se setkáme i s obchodním označením mazací tuk nebo
vazelína. Jde o látky tvořené obvykle ropným olejem (kapalná složka) a
solemi mastných kyselin (pevná složka). Pevné složky jsou většinou
vápenaté či hlinité soli kyseliny palmitové, stearové. Přidáme-li grafit,
dostáváme
„černou vazelínu“. V jiné může být obsažen sulfid
molybdeničitý MoS2. Důvodem těchto příměsí jsou větší mazací účinky.
Každá čerpací stanice prodává průřez jednotlivých typů, jak dokumentuje
následující obrázek prodejního regálu.
10
Uvědomme si výhody a nevýhody použití:
1. oleje a mazací tuky snižují tření mezi kovovými součástmi – stačí
tenká vrstva, po které součástka „klouže“,
2. zamezují přístupu vzduchu a tím i kyslíku na povrch součástek a tím
zabraňují jejich korozi a prodlužují životnost zařízení,
3. odvádějí přebytečné teplo a tím zabraňují přehřátí a destrukci
součástky,
4. motor musí těsnit, oleje nesmí unikat mimo,
5. likvidace použitého oleje či tuku – musí být ekologicky zlikvidován
ve spalovně či recyklován (často je smíchán s lehkým topným
olejem a je využit jako topivo).
Hoření paliva je exotermická reakce, uvolňuje se značné množství tepla
a pouze část se transformuje na pohybovou energii , proto je nutné celý
motor chladit. Celý blok motoru je proto ochlazován chladicí kapalinou,
která odvádí teplo do chladiče, kde dochází k výměně tepla okolním
proudícím vzduchem. Původně byla užívána voda, ovšem provoz v zimním
období hrozil zamrznutím a roztržením bloku motoru (led má větší objem
jak voda). To znamenalo před jízdou vodu do chladícího okruhu nalít, po
jízdě ji zase vypustit. Konstrukčně byl problém částečně řešen mrazovými
pojistkami na bloku motoru a později použitím takové chladicí kapaliny,
která při mrazu zůstane kapalná. Tedy takové, jejíž teplota tuhnutí je nižší
než venkovní teplota. Nestačí počítat s teplotou z meteorologické
předpovědi – při jízdě dochází k dalšímu ochlazování proudícím vzduchem.
Šlo by tedy použít kapalnou látku, jejíž teplota tuhnutí je dostatečně nízká,
například ethandiol ( HO – CH2 – CH2 – OH). Tento dvojsytný alkohol má
dostatečně nízkou teplotu tuhnutí. Dále užijeme poznatek, že teplota tuhnutí
směsi látky s rozpouštědlem je nižší než teplota tuhnutí čisté látky.
Rozpouštědlem pro alkohol je voda a proto je ideální užití vodného roztoku.
Chladicí kapalina je prodávána již naředěná pro určitou minimální teplotu
(např. do – 20 oC), označení je na obalu. Sami můžeme s použitím
destilované vody namíchat směs podle vlastních provozních potřeb.
Ekologický aspekt použití spalovacích motorů
Používání vozidel se spalovacími motory trvá již více jak sto let (od konce
19. století). Automobilismus je společenským i hospodářským fenoménem,
ale i ekologickým problémem.
Spotřeba v současnosti: 13 miliard litrů ropy denně
Zdroj: fosilní paliva, další zdroje minimální
Produkty hoření: řada nebezpečných látek (plynné exhalace)
11
Zajímavé souvislosti: Evropa preferuje menší vozy s motory s nižší
spotřebou, Amerika částečně naopak, asijské ekonomiky zaznamenávají
prudký nárůst počtu automobilů a tím i spotřeby paliv.
Použití benzinu
Spalováním vzniká CO2 a H2O, ale také CO a NOx. CO a NOx jsou plynné
látky, pro lidský organismus vysoce jedovaté (vážou se na hemoglobin
v červených krvinkách místo kyslíku. NOx reagují s dalšími znečišťujícími
látkami v přízemní vrstvě atmosféry a vznikají molekuly O3 (přízemní
ozón). Při vyšší koncentraci způsobuje nevolnost, pálení očí či bolest hlavy.
Jak je možné, že při spalování benzínu (směs uhlovodíků)
vznikají i oxidy dusíku?
Technická opatření: snížení množství škodlivých plynů ve spalinách
provedeme převedením na produkty, které méně zatěžují životní prostředí.
Výrobci užívají katalyzátory. Jde o keramický válec s mnoha podélnými
kanálky, jejichž povrch je potažen účinnou vrstvou (Pt a Rh). Škodlivé
složky spalin se přemění na CO2 a H2O (vodní páru) a dusík . Umístění
katalyzátoru – součást výfukového potrubí.
Přesto ještě jedna otázka: Jaký vliv na životní prostředí má oxid
uhličitý?
Použití nafty
Protože motorová nafta obsahuje síru, tak při spalování vznikají oxidy SO2
a SO3. Dráždí dýchací cesty a mohou způsobit až otok plic. Spolu s oxidem
dusičitým se podílí na vzniku kyselých dešťů. Dalším produktem spalování
jsou některé areny, které mají karcinogenní účinky.
Použití vodíku
Spalováním vodíku vzniká pouze voda. Vodík je vázán především ve vodě,
ale i ve sloučeninách. Při reakci vodíku s čistým kyslíkem vzniká teplota
necelých 3000 oC! Vodík průmyslově vyrábíme elektrolýzou vody nebo
elektrolýzou vodného roztoku chloridu sodného nebo z vodního plynu (směs
CO a H2O). Velmi účinná metoda je založena na reakci metanu s kyslíkem
nebo vodní párou (při teplotě 900 oC je dosahováno až 98% přeměny
výchozích látek na produkty. Uvědomíme-li si, že metan je vlastně důlní
plyn, bahenní plyn, (známe i jeho podmořská ložiska), tak zde máme nové
zdroje.
12
Vyzkoušejte elektrolýzu
vody
sami v domácích
podmínkách.
Připravte si skleničku 0,1 l, baterii
o napětí
9
V,
dva
vodiče
s odizolovanými kraji asi 20 cm
dlouhé, dvě tužky, vodu, citron.
Tužky musí být ořezané na obou
koncích.
Do skleničky naplňte do poloviny
vodou a přidejte trochu citronové
šťávy (8-10 kapek). Tuhu v tužce
spojte pomocí vodičů s póly baterie
a vložte je do skleničky tak, aby se
nedotýkaly. Pozorujte nastalý děj ve
skleničce. Poznáte, který prvek se
vylučoval u které tužky a ke kterému
pólu baterie byla tužka připojena?
SHRNUTÍ
Stále rostoucí počet automobilů znamená zvýšenou produkci
látek, které mají negativní vliv na životní prostředí a zvýšenou
spotřebu fosilních paliv. Snažíme se o omezení negativ
technickými prostředky, hledáme výhodnější konstrukce pohonných
jednotek a nová alternativní paliva či zdroje energie.
4. Elektromotor
Elektromotory jsou zatím využívány především pro
hromadnou dopravu. Na
elektrický pohon jezdí
vlaky, tramvaje, trolejbusy a
elektrobusy.
Pro hromadnou
dopravu je ekonomicky rentabilní
postavit tratě s trolejovým vedením
a měnírnami elektrické energie na
stejnosměrný proud. Používá se
téměř výhradně pro městskou
hromadnou dopravu s větší četností
jízd po trase. Je výhodnější i tam,
kde je potřebné překonat větší
výškové rozdíly v kopcovitém terénu (např. San Francisko v USA).
Problémem je překonání úseků bez trolejového vedení. Toto je řešeno
pomocnými elektrickými bateriemi nebo spalovacími motory.
13
Ojedinělým projektem je elektrobus ve Znojmě. Tramvaje jsou osazeny
elektromotory, jejich trasa je vymezena kolejovou drahou, jsou určeny
pro městskou dopravu.
Popište princip spalovacích motorů!
Čím se liší benzínový a naftový motor?
Jaká je konstrukce Wankelova motoru?
Jakým palivem lze v budoucnu nahradit fosilní paliva?
K čemu slouží oleje a vazelíny?
Jaká je ekologická zátěž při provozu vozidel se spalovacími
motory?
Popište aspekty užití elektrických motorů v dopravě!
Brzdné systémy
Brzdy mechanické, kapalinové, vzduchové, brzděný přívěs,
systém ABS
Jakékoli vozidlo, které jsme uvedli do pohybu, musíme také
zastavit. Nemůžeme se spoléhat na pouhý odpor prostředí, ve
kterém se těleso pohybuje, musíme proces zpomalování a
zastavení aktivně ovládat. Každý, kdo řídil motorové vozidlo, ví, že stačí
ubrat plyn a dochází ke zpomalování jak vlivem tření vozidla ve vzduchu,
tak brzdou silou motoru. Tato brzdná síla ale pouze zmenší rychlost pohybu.
Brzdnou sílu motoru můžeme využít pouze tehdy, je-li zařazen některý
rychlostní stupeň. Při nezařazeném rychlostním stupni by se kola
v rychlostní skříni pohybovala tak rozdílnými rychlostmi, že by nebylo
možné opět zařadit rychlostní stupeň a vozidlo by nemohlo využít brzdnou
sílu motoru. Proto například nákladní vozy mají předpisem o silničním
provozu zakázáno vyřadit převodový stupeň a pokračovat v jízdě takzvaně
na volnoběh. Při jízdě ze svahu by potom při intenzivním brzdění mohlo
dojít k selhání brzd v důsledku jejich přehřátí. U pozemních druhů dopravy
jsou totiž brzdné systémy postaveny na využití třecí síly. Ta vzniká při
smykovém tření (posouvání jednoho tělesa po povrchu druhého). Na kolech
automobilu (ale i vlaku) jsou instalovány hladké kotouče a u nich destičky,
které po přitlačení ke kotoučům brzdí pohyb kola. Velikost třecí síly Ft je
přímo úměrná velikosti kolmé tlakové síly FN, kterou působí destičky na
hladký kotouč (Ft = f . FN , f = součinitel tření).
14
Na obrátku je zřetelně vidět šedý
disk i červený blok s destičkami.
Kinetická energie pohybu kola se
mění třením na tepelnou.
Brzdové destičky i disk se tedy
silně zahřívají.
Od nich se
zahřívá celé kolo. Další teplo
vzniká třením povrchové vrstvy
pneumatiky o povrch vozovky.
V letních měsících
je navíc
tmavý povrch vozovky zahřátý
na vyšší teploty a i toto teplo se podílí na zahřívání pneumatiky. Celkové
množství tepla může být tak veliké, že by mohlo dojít k deformaci či
roztržení pneumatiky. Proto jsou například kola nákladních vozů
mezinárodní dopravy plněna dusíkem místo vzduchem. Lehké plyny,
obsažené ve vzduchu, se totiž na rozdíl od dusíku snáze zahřívají.
Vlastní konstrukce brzdných systémů využívá třecí sílu. Fyzikálně:
pohybová energie vozidla se zmenšuje v důsledku tření a mění se na energii
tepelnou (brzdy se zahřívají). Druhy brzdných systémů se neliší ani tak
principem, jako přenosem brzdné síly od řidiče k vlastním brzdám.
Mechanické brzdy – nejstarší způsob, užíváme stále u kol a motocyklů.
Přenos je uskutečněn buďto táhlem nebo ocelovým lankem. Starší typy kol
mají převod brzdné síly realizován zpětným pohybem šlapadel.
Kapalinové brzdy – využívají přenos tlakové síly kapalinou.
fyziky jste se seznámili s modelem hydraulického lisu. Tentýž
využit u tohoto typu brzd a současně plní úlohu posilovače (síla
brzdového pedálu se několikanásobně zvětšuje). Detail brzd
pancéřovanou hadicí je vyznačen doprovodném na obrázku.
Při výuce
princip je
sešlápnutí
s přívodní
Vzduchové brzdy – pro přenos a ovládání je použit tlak vzduchu. Kruhový
pohyb hřídele je přenášen na hnací hřídel vzduchového kompresoru a
vzduch pod tlakem je pak použit pro ovládání brzd. Takové vozidlo
poznáme podle charakteristického zvuku pojistného ventilu na válci
kompresoru. Po určité době se ventil krátce otevře a sníží tlak v zásobním
15
válci (motor vozidla pracuje kontinuálně a kontinuálně také pohání tlakové
čerpadlo). Velmi efektivní je provedení, kdy jsou v klidovém stavu kola
vlastně zabrzděna, pružiny tlačí aktivní plochy brzd na brzdový talíř na kole
a teprve po spuštění motoru a vytvoření potřebného tlaku dojde k odbrzdění.
Teprve pak může vozidlo zahájit dopředný pohyb. Toto provedení zajistí
znehybnění vozidla v klidové poloze – nemůže se rozjet samo.
V praxi jsou používány pro zvýšení bezpečnosti jednotlivé systémy vždy
současně. Zvolená kombinace závisí na celkové hmotnosti vozidla.
U osobních automobilů to znamená kapalinové brzdy a mechanickou ruční
brzdu. U nákladních automobilů s malou tonáží je užívána totožná
koncepce, u vícenápravových vozů s velkou tonáží je použita koncepce
„jedna náprava – jeden systém“. Znamená to, že kola na jedné nápravě jsou
všechna brzděna jedním typem brzd a kola na druhé nápravě jiným. Tato
koncepce zajistí funkčnost celého brzdného systému i při selhání některého
podsystému. Například při prasknutí brzdové hadičky a následném selhání
hydraulického systému zůstává vzduchový systém funkční a řidič má
možnost vozidlo zastavit. Pokud je vozidlo tvořeno soupravou nákladního
vozidla a dalším přívěsem či návěsem, jsou na obou vozidle užity oba
systémy (hydraulický i vzduchový). Další možností je použití hydraulického
systému ve více okruzích – pokles tlaku v okruhu pro jednu nápravu
neovlivní tlak v okruhu pro nápravu druhou.
U osobního vozu snížíme rychlost při poruše brzdného systému postupným
odřazováním na nižší převodové stupně (využíváme brzdnou sílu motoru)
a brzděním ruční mechanickou brzdou.
Protiblokovací systém (ABS)
Při intenzivním brzdění chceme dosáhnout co nejkratší brzdné dráhy a
zachovat ovladatelnost vozu. Vždy ale existuje možnost ztráty přilnavosti
kol (závisí na konkrétních povětrnostních podmínkách). Nejčastěji dochází
k zablokování kol a následnému smyku. ABS reguluje brzdění, brání
zablokování kol a to i v případě prudkého zabrzdění. Tím umožňuje další
ovládání auta řidičem a zachování jeho jízdní dráhy. Jde tedy o systém
zvyšující bezpečnost jízdy.
Při jízdě osobního vozu s přívěsem záleží na celkové hmotnosti přívěsu. Do
750 kg nejsou brzdy na kola přívěsu vůbec instalovány. Nad 750 kg jsou
koncipovány nezávisle na brzdném systému tažného vozidla. Jejich ovládání
je řízeno chováním tažného vozidla. Na přípojném rameni závěsu jsou
umístěna táhla, která pružina udržuje v poloze odbrzděno. V situaci, kdy
řidič brzdí, je pružina stlačena setrvačnou silou přívěsu, pružina stlačuje
táhla a ty mechanickým převodem aktivují brzdy. Druhý systém je
hydraulický. Setrvačná síla přívěsu stlačuje pístem brzdovou kapalinu
v uzavřeném okruhu a tento tlak aktivuje brzdy. Čím větší je brzdná síla
tažného automobilu, tím větší je tlak přívěsu na píst a tím větší je brzdná síla
na kola přívěsu.
16
Válec brzdného systému je na obrázku skryt pod ochrannou gumovou
manžetou. Jak vidíme, je takový přívěs opatřen i klasickou ruční brzdou.
Pokud při jízdě řidič zabrzdí, zabrzdí i přívěs. Pokud řidič zrychluje či jede
rovnoměrně, brzdění přívěsu se nekoná. Jízda ovšem vyžaduje
kvalifikovaného řidiče – jde o zvláštní skupinu řidičského oprávnění.
Elektrická výbava vozidel
Autobaterie, bezúdržbové provedení, alternátor, řídící jednotka
Každá vozidlo potřebuje vlastní zdroj elektrické energie.
Potřebujeme nastartovat a svítit. Zdrojem proudu je olověný
akumulátor o napětí 12 V v různých provedeních (40 – 210 Ah).
Pro každý typ stroje je potřebná jinak „silná“ autobaterie. Pro
motocykly je vyráběna autobaterie pro napětí 6 V. 12-ti voltová baterie se
skládá ze šesti článků (každý na 2 V) a články jsou uspořádány do série.
Výsledné napětí je dáno součtem U = ∑Ui. Jednotlivé články jsou oddělené
a jednotlivé desky článku jsou umístěné ve vlastním obalu – elektrolyt
(roztok kyseliny sírové H2SO4) volně protéká, časem uvolněné olovo se ale
nemůže hromadit na dně baterie (znamenalo by to zkratování celého
článku). Při zjištěném nedostatku elektrolytu ve článcích doplňujeme pouze
vypařenou vodu (H2O), je přípustné použití pouze destilované vody.
Většina autobaterií je ale dnes vyráběna jako bezúdržbová. Jsou tedy
hermeticky uzavřeny zátkami, ale ve víku je kanálek, který odvádí
vznikající plyny. Je osazen protizážehovou zátkou (nemůže dojít
k samovznícení odváděných plynů. Některé typy
uvolněné plyny převádí zpět na vodu. Jako příklad si
zobrazíme baterii VARTA . Baterie má prvořadý
úkol poskytnout energii startéru a roztočit motor, po
startu již dostatek elektrické energie zajišťuje další
agregát – alternátor. Jde o elektrický točivý stroj,
který kinetickou energii rotující klikové hřídele
17
převádí na elektrickou. Je to vlastně generátor střídavého proudu. Převod
pohybu je prováděn klínovým řemenem. Klínový řemen musí být
dostatečně napnut, aby zajistil plynulý převod pohybu na osu alternátoru.
Poskytuje energii především baterii, kterou samočinně dobíjí. Na obrázku
je jeden z typů dodávaných alternátorů.
Elektrické vývody jsou (bohužel) mimo
záběr vlevo. Ve voze vše řídí centrální
řídící jednotka, která detekuje stav všech
uzlových bodů hlavních agregátů. Data
sbírá z jednotlivých čidel a při detekci
neobvyklé situace signalizuje závadu na
palubní desce (rozsvícením kontrolky).
V případě detekce závažné závady může
i blokovat činnost (vůz nenastartuje a
neodjede).
Do novějších vozů jsou
montovány i čidla, která reagují na přiblížení k překážce (vhodné při
parkování) či čidla detekce alkoholu v dechu řidiče (pouze na speciální
zakázku). Jednou z nejefektivnějších funkcí je tempomat – nastavíme
požadovanou rychlost a vůz sám tuto rychlost udržuje a optimalizuje chod
motoru v závislosti na jeho zatížení při jízdě. Velmi důležitou součástí
elektrického vybavení jsou pojistky. I zde pojistku (jistící určitý el. obvod)
můžeme pouze měnit za pojistku stejné hodnoty a jakékoli opravy jsou
nepřípustné. Pro lepší orientaci jsou pojistky různých hodnot odlišeny i
barevně.
Které fyzikální principy jsou využity při konstrukci brzdných
systémů?
Jaké typy brd znáte?
Jaké nejdůležitější systémy patří do elektrické výbavy vozidel?
K čemu slouží alternátor?
Jaký význam má autobaterie?
Co tvoří v baterii elektrolyt?
18
Železniční doprava
Motorová a elektrická trakce, rentabilita dopravy
V našich podmínkách jeden z nejekologičtějších způsobů
dopravy. Bohužel, často nevyužívaný. Podstata je vcelku
jednoduchá: vybudujeme železniční trať a lokomotivy nám budou
lacino a ekologicky vozit náklad z výchozí stanice do cílové.
Navíc naše republika má poměrně hustou síť železnic. Na kratší vzdálenosti
je ale rychlejší automobilová doprava a to rozhoduje.
Jistě víte, jak vypadá lokomotiva.
Lokomotiva – její motorová jednotka je klasický
spalovací motor na naftu s dostatečným výkonem nebo
elektrický motor. Druhá varianta předpokládá přívod
elektrické energie po celé délce trati (viz obr.).
Tato vedení jsou pod vysokým střídavým napětím ( 25 kV, 50 Hz).
Problémem je i napojení na jiné soustavy –například na státních hranicích
na elektrickou střídavou soustavu rakouských železnic (15 kV, 16 2/3 Hz).
Navíc na území republiky severně od osy Praha – Olomouc – Ostrava je
provozován stejnosměrný systém o napětí 3 kV, zatímco jižní část je
napájena střídavým proudem 25 kV, 50 Hz. Některé místní tratě jsou
napájeny stejnosměrným napětím 1,5 kV. V praxi to znamená vyměnit
lokomotivu nebo mít k dispozici lokomotivu s možností plynulého přepínání
trakcí. Konkrétně Pendolino je třísystémová lokomotiva. Každý vagon má
vlastní dynama na kolech, která za jízdy dobíjí baterie. Energie slouží
především k osvětlení. Centrální otevírání dveří a centrální elektrické
vytápění je napájeno proudem o napětí 3 kV z lokomotivy (i dieselová
lokomotiva si vyrábí proud o tomto napětí). Více systémů na území
republiky je dáno historickým vývojem, pro zajímavost Francie má čtyři
systémy. V Japonsku a Německu jsou pokusné tratě pro vlaky na
magnetickém polštáři, vlak je nad nosníkem udržován magneticky
(odpudivé síly stejných pólů magnetů a lineární motor zajistí tah vpřed).
Celá soustava je ale velice nákladná, v brzké době se nepočítá
s rozšiřováním těchto tratí. Celý vlak je řízen počítačovým systémem, který
při jakékoli signalizované závažné závadě zastaví vlak.
Ukázky jednotlivých typů lokomotiv najdeme na serveru
www.zelpage.cz v odkazu fotogalerie.
Jsou zde k dispozici stovky fotografií jednotlivých typových řad lokomotiv
včetně historických (poháněných parním strojem). U každé fotografie je
uveden i úsek trati, na kterém vznikla.
19
Dalším zdrojem informací o železniční dopravě jsou stránky
http://www.szdc.cz/ , kde lze najít další informace o konkrétní
problematice.
V současnosti vidíme určitou krizi dopravního systému na
železnici. Na kratší vzdálenosti je výhodnější automobilová a
autobusová doprava, doprava kamionů po železnici napříč
republikou byla zastavena, není jasná koncepce státu. Převládá ekonomické
hledisko, doprava nákladními automobily je rychlejší a flexibilnější.
Srovnejme naši hlavní trasu Praha – Brno. Náklad je ve firemních
prostorách naložen na korbu nákladního automobilu. Vyráží přímo na trasu
(200-250 km) podle místa nakládky. Při průměrné rychlosti 80 km/hod. je
za tři hodiny na místě a náklad je předáván na místě určení. Při dopravě
železnicí automobil doveze náklad do železniční stanice, náklad je přeložen
na vagon a po sestavení vlaku následuje cesta vlaku do cílové stanice, kde
následuje překládka na přistavený nákladní automobil a přesun do skladu
firmy. Jak se sami můžete přesvědčit nahlédnutím do jízdních řádů nebo na
stránkách vyhledávání (například) http://www.idos.cz, trvá trasa PrahaBrno autobusem i vlakem přibližně stejně (a to nepočítáme skutečnost, že
rychlíkové spoje mají před nákladní dopravou přednost). Z uvedených (ryze
20
ekonomických) důvodů je ekologické hledisko v defenzívě. (Úmyslně
vynecháme finanční stránku věci, přesahuje náš přírodovědný seminář.)
V čem spatřujete výhody a nevýhody vlakové dopravy?
Jaká je Vaše osobní zkušenost s vlakovou dopravou:?
Jaké jsou systémy elektrické trakce?
21
Vodní doprava
Vztlaková síla, stabilita tělesa, výtlak plavidla,
Připomeňme si Archimédův zákon, který známe již z fyziky na základní
škole:
Těleso ponořené do kapaliny je nadlehčováno silou, která se rovná tíze
kapaliny vytlačené tímto tělesem.
Vezměme si například loď o délce 100 m a šířce 30 m (uvažujeme
obdelníkový průřez). Při ponoření o 1 m vytlačí objem vody V = 3 000 m3.
Pro zjednodušení uvažujme hustotu vody ρk = 1000 kg/m3 . Loď je tedy
nadlehčována silou G = m . g , platí vztah m = V . ρ, proto dostáváme tvar
G = V . ρk . g a po dosazení do výpočtu G = 3 000 m3. 1000 kg/m3. 10 m/s2
dojdeme k hodnotě G = 3 . 107 N.
V praxi se hovoří o výtlaku v tunách, uvádí se tedy místo údaje o
síle údaj o hmotnosti. V našem případě by tedy šlo o výtlak
30 000 tun.
Dále můžeme odvodit vztahy pro všechny možné situace:
a) těleso plave na hladině – vztlaková síla je větší než celková tíha tělesa
(lodě včetně nákladu),
b) těleso se potápí – vztlaková síla je menší než celková tíha tělesa,
c) těleso se vznáší v kapalině – vztlaková síla je rovna celkové tíze tělesa,
(využívají ponorky pro plavbu v určité hloubce).
Pokud si zjednodušíme úvahu pouze na hustotu, tak platí pro průměrnou
hustotu tělesa ρ a hustotu kapaliny ρk :
a) ρ < ρk těleso plove na hladině,
b) ρ > ρk těleso se potápí,
c) ρ = ρk těleso se vznáší v kapalině.
Při dopravě jde v první řadě o to, udržet loď za všech okolností na hladině.
Vztlakovou sílu nám vytváří ponořená část lodi. Konstrukce lodi je
uzpůsobena tak, aby voda i při velkých vlnách stékala z lodi. Vnitřní
prostory jsou uzavřené. Vztlaková síla je rovna tíhové síle. Loď ale není na
nehybné hladině. Při plavbě se noří do vln a vynořuje se tak dlouho, dokud
se vztlaková síla ponořené části nevyrovná tíze celé lodi. Pokud by do lodi
mohla vtékat voda, tak by se zvětšovala hmotnost lodi a v konečném
důsledku by se loď potopila.
Konstruktérům jde ale o stabilitu plovoucího tělesa. Vzpomeňme si na
koupání v létě. Míč plovoucí na hladině můžeme vychýlit z jeho polohy
(pootočit) a v nové poloze zůstane. Plovoucí dřevěný špalek se při
nepatrném vychýlení vždy vrací do původní polohy, pádlo postavené svisle
samovolně přejde do vodorovné polohy na hladině. Různá plovoucí tělesa
tedy mají různou stabilitu a je nutné určit podmínky stability pro plovoucí
tělesa.
Musíme si uvědomit, že loď s nákladem není homogenní těleso. Náklad
musí být uložen a upevněn. Při pohybech lodi by totiž mohlo dojít k pohybu
22
nákladu a tím i změně polohy těžiště a loď by se mohla převrátit.
Vzpomeňme na některé katastrofy trajektů z posledních let. Vysvětleme si
blíže tento problém.
Loď při plavbě:
Na loď působí její tíha v jejím těžišti T a vztlaková síla v těžišti vytlačené
vody To. Loď bude v rovnováze právě tehdy, když výslednice obou sil i
jejich výsledný moment budou rovny nule. Aby se loď nepotopila je
dostačující, aby se její tíha G rovnala tíze vody vytlačené ponořenou částí
lodi Y. Druhou podmínkou je, aby obě těžiště ležela na téže vertikále.
Nazýváme ji osa plování. Tvar lodi musí být takový, aby zajistil stabilitu
i při vychýlení z této rovnovážné polohy a to návratem do rovnovážné
polohy. Při vychýlení lodi z rovnovážné polohy (obr. b) neleží těžiště lodě
T a těžiště vytlačené kapaliny To na téže vertikále. Co to znamená? Tíha G
a vztlaková síla Y (jsou stejně velké, opačných směrů) tvoří dvojici sil
o momentu D = r x Y. Tento moment D má buďto výchylku lodi zvětšuje
nebo zmenšuje (vrací ji do původní polohy). Při vychýlení lodi se změní
také tvar ponořeného trupu, velikost ponořené části zůstává stejná. Působiště
vztlaku se posouvá do bodu T´o. Svislá těžnice pak protíná osu plování
v bodě M. Pokud bod M leží nad těžištěm lodi T, pak dvojice sil G a Y
výchylku lodi z rovnovážné polohy zmenšuje (obr. c), loď se vrátí do
rovnovážné polohy. Pokud bod M leží pod těžištěm T, pak dvojice sil G a Y
výchylku lodi z rovnovážné polohy zvětšuje, rovnováha je vratká (obr. d).
Vzdálenost TM se nazývá metacentrická výška, u lodí určených pro plavbu
po moři bývá nejméně 0,3 m. Zpravidla v intervalu trojnásobku až
pětinásobku TTo.
Trochu odlišný problém řeší lodi typu plachetnice. Problém stability máme
vyřešen, zbývá nám vyřešit hnací sílu lodi.
Na lodích se užívají motory na různá paliva vyráběná z ropy, na ponorkách
se užívají i atomové reaktory. Přenos síly je vždy hřídelí a celou soustavu
končí lodní šroub vně lodi. Manévrování zajišťuje kormidlo umístěné
obvykle také vzadu za lodním šroubem.
Nesmíme zapomínat na odpor prostředí – tvar lodi je vždy zvolen tak, aby
byl minimalizován odpor prostředí. Největšího účinku bylo dosaženo
u katamaránů (loď se dvěmi propojenými trupy a s loděmi se stabilizačními
23
„křídly“, které při vyšších rychlostech „klouzají“po hladině, místo aby
rozrážely hladinu před sebou jako klasická loď.
Samostatnou skupinu tvoří vznášedla, která nadnáší proud vzduchu a proto
se hodí do mělkých pobřežních vod nebo do močálovitého terénu. Armády
je užívají jako výsadková plavidla. Na manévrování používají soustavy
bočních trysek. Nevýhodou je značná hlučnost.
Co ovlivňuje stabilitu plovoucího tělesa?
Jaké úkony je nutné provést s nákladem před vyplutím lodi?
24
Letecká a raketová doprava
Vztlaková aerodynamická síla, tíha tělesa, letecké a raketové
motory, vesmírný výtah, nanotechnologie, kompozitní
materiály
Co nazýváme letem a létáním?
Letem rozumíme proces, při kterém se hmotný objekt vznáší v atmosféře
(vzduchu). Létáním pak rozumíme let v důsledku působení aerodynamicky
vytvářeného vztlaku na hmotné těleso nebo mohou létat tělesa, které jsou
lehčí než vzduch. Kosmickým letem také označujeme pohyb kolem naší
planety mimo hranici atmosféry. Za meziplanetární lety jsou označovány
cesty sond k dalším planetám sluneční soustavy. Ve všech případech jde o
překonání gravitačního pole.
Balónové létání a vzducholodě
Nejstarším známým druhem létání je vznášení čínských
papírových lampionů, které byly nadnášeny teplým vzduchem.
Vztlaková síla je v tomto případě dána rozdílem teplot okolí
balonu a zahřátého vzduchu v balonu. Vzduch v balonu ale rychle
chladne a je nutné jeho teplotu udržovat konstantní – jinak balon klesá. Za
počátek balonového létání je považován rok 1783, kdy bratři
Montgolfierové sestrojili horkovzdušný balon
a předvedli jej
francouzskému králi Ludvíku XVI a jeho dvoru. Do balonu posadili ovce,
kachnu a slepice.V současné době jde o sportovní záležitost.
Dalším úspěšným pokusem byly stavby vzducholodí ve druhé polovině
19. století. Na balonech byla ověřena jiná technologie – uzavřený balon byl
naplněn vodíkem. Na tomto principu byly postaveny vzducholodě, které pod
velkou nádrží doutníkového tvaru nesly kabinu pro posádku a náklad. Aby
byla řiditelná, musí být vybavena motorem a pomocnými vrtulemi. V první
polovině 20. století byly vzducholodě využívány pro civilní dopravu,
vědeckou práci i vojenské účely. Připomeňme si výpravy Umberta
Nobileho se vzducholodí Norge na severní pól (1926) a Italia (1928). Na
palubě Italie byl i český fyzik František Běhounek. Vodík je ale ve směsi se
vzduchem velmi výbušný, což zapříčinilo mnoho havárií, nejznámější je
požár německé vzducholodi Hindenburg při přistávání v USA (1937).
Jaká síla udržuje vzducholoď nad zemí?
Pokud by vzducholoď
neobsahovala žádný plyn, pak by podle
Archimédova zákona byla nadlehčována silou
F = m ∗ g = ρv ∗ V ∗ g .
25
Vzducholodi ale byly plněny vodíkem. Proto je nutné provést korekci .
Vztlaková síla je dána podle Archimédova zákona rozdílem tíhy vzduchu
hustotě ρV a tíhy vodíkového obsahu balonu o hustotě ρh.
F = m ∗ g = ( ρv - ρh) ∗ V ∗ g .
Vzhledem k malé hustotě vodíku provedeme pouze výpočet bez korekce.
Příklad: Určeme vztlakovou sílu u vzducholodi o objemu 200 000 m³.
ρV = 1,3 kg/m3
V= 200000 m3
F=?
----------------------F = mg = ρv V g
F = 1,3x200000x10=2,6x106 N
Vztlaková síla má velikost 2,6 MN.
Letadla a rakety
Přecházíme ke strojům s hustotou větší jak vzduch.
Při pokusech s profilem křídla ve fyzice jsme zjistili, že nad
křídlem dochází ke zhuštění proudnic, pod křídlem nastává jejich
mírné zředění. To dokazuje, že při obtékání se nad křídlem objevuje podtlak
a pod křídlem přetlak. Při pohybu nesouměrného křídla vzhledem
k plynnému prostředí vzniká aerodynamická síla, která na křídlo působí.
Směr této síly není totožný se směrem pohybu.
Jak je patrné z obrázku, tečná rovina spodní části křídla se směrem pohybu
svírá úhel α , který se nazývá úhel náběhu. Sílu F s působištěm v bodě O
rozložíme do vodorovné a svislé složky ( Fx, Fy). Síla Fx má opačný směr
než relativní rychlost křídla a je nazývána odporová aerodynamická síla.
26
Síla Fy směřuje směrem nahoru a jde právě vztlakovou aerodynamickou
sílu, která „udržuje“ letoun ve vzduchu. Skutečná konstrukce letounu je
vedena snahou o co nejmenší odporovou a co největší vztlakovou
aerodynamickou sílu. Velikosti sil jsou určeny vztahem:
Fx = Cx
ρ
Sv 2
2
Fy = Cy
ρ
2
Sv2 ,
Cx, - součinitel odporu , závisí na tvaru křídla, povrchové úpravě,úhlu
náběhu a dalších parametrech,
Cy - součinitel vztlaku, S – je plocha průmětu křídla do vodorovné roviny,
v – rychlost letu.
Příklad : parašutista o hmotnosti 75 kg seskočí padákem tvaru
polokoule o průměru 5 m. Jak velkou rychlostí bude na padáku
klesat?
(C = 1,33, ρ =1,3 kg/m3 , g = 10 m/s2)
Řešení:
C = 1,33
g = 10 m/s2
d = 5 m (r = 2,5 m)
v=?
--------------ρ
ρ
πr 2v
F = C
Sv 2 = C
2
2
2
Po úpravě dostáváme a dosazením získáme
v =
2 mg
CS πρ
, v =
2 × 75 × 10
1 , 33 × 3 ,14 × 2 , 5 2 × 1 , 3
= 6,65 m/s
Rychlost klesání bude 6,65 m/s.
Jak velká je vztlaková síla , jestliže letadlo letí rychlostí 400 km/h
a plocha průmětu letadla do vodorovné roviny je 45 m2?
( Cy = 0,46, ρ =1,3 kg/m3)
Uvedené příklady platí pro lety v malých výškách a malými
rychlostmi, tam stačí vrtulové letouny. Velká dopravní letadla se
pohybují na trasách ve výškách do 10 km s rychlostmi do 1000
km/h. Speciální letadla (vojenské stíhačky) se pohybují rychlostmi vyššími
jak rychlost zvuku a platí pro ně trochu odlišné zákonitosti. Proto se liší i
jejich konstrukce – např. letouny s technologií Stealth. Tato skutečnost
platila i pro dopravní letoun Concorde, který byl stažen z provozu. Zde se
používají proudové motory.
27
U raket se nemusíme bavit o tvaru. Všem je nám známý válcovitý tvar raket
se stabilizátory ve spodní části. Raketoplán je vlastně letadlo neschopné
samostatného startu ze země, ale s takovou konstrukcí, která umožní let
v kosmickém prostoru a bezpečný návrat do atmosféry, kde pak poslední
fázi letu absolvuje jako klasické letadlo. Problémem tedy není tvar, ale
dostatečně silné motory a tepelná ochrana při vstupu do atmosféry
(zpomalení pohybu odporem houstnoucího prostředí při klesání
k zemskému povrchu).
Motory
Počítali jsme nutnou vztlakovou sílu, uvažujme nyní motory,
které zajistí dostatečnou rychlost letadla. Pro malá a sportovní
letadla stačí klasické spalovací motory, které roztáčí vrtuli. Pro
větší rychlosti je ale třeba většího výkonu. Proto jsou užívána reaktivní
motory.
Jsou to tepelné motory, které využívají sílu reakce při výtoku horkých plynů
z motoru výtokovou tryskou. Při hoření paliva vzniká velké množství tepla,
které zahřeje obsah spalovací komory na vysokou teplotu – plyny se tryskou
derou ven z motoru a reakcí je motor uváděn do pohybu směrem dopředu a
s ním i letoun. Pracují tedy na principu akce a reakce.
Reaktivní motory se dělí na dvě skupiny: proudové a raketové.
Raketové motory si sebou nesou jak palivo, tak okysličovadlo a proto se
mohou pohybovat i mimo atmosféru. Palivo je tuhé nebo kapalné. Užívají se
např. methylalkohol, tekutý vodík a jako okysličovadlo kapalný kyslík,
kyselina dusičná a peroxid vodíku. Motor poháněný tuhými palivy je
konstrukčně jednodušší. Je totiž tvořen spalovací komorou a hnací tryskou.
Téměř celá spalovací komora je naplněna palivem nebo směsí paliva a
okysličovadla, které postupně odhořívá. Protože nemá žádné pohyblivé
části, je velmi spolehlivý, není možné jej ale zhasnout a znovu zapálit a jeho
výkon se dá regulovat jen velmi omezeně. Proto se používají pro neřízené i
řízené střely a pomocné rakety. Motory na kapalné palivo jsou výkonnější,
účinnější, ale také složitější. Tento typ je plněn ze dvou nádrží. V jedné je
palivo a ve druhé okysličovadlo. Palivo je s okysličovadlem do spalovací
komory vháněno pod tlakem. Čerpadlo může být poháněno například parní
turbínou. Pro tu se pára vyrobí rozkladem peroxidem vodíku a
manganistanu draselného. U motoru na kapalné palivo je výstupní tryska
vysoce tepelně namáhána a proto je vyložena např. grafitem. Existují také
hybridní raketové motory, které oba uvedené principy kombinují.
Schéma raketového motoru na kapalné palivo:
1 – nádrž s okysličovadlem
2 – nádrž s palivem
3 – nádrž se stlačeným vzduchem
4 - spalovací komora
5 - zapalování
6 – výtoková tryska
28
Proudové motory jsou motory s přímou reakcí.
Atmosférický vzduch
vstupuje čelní částí motoru a tvoří současně okysličovadlo i pracovní látku.
Spaliny unikají ven z motoru zadní částí – tryskou. Aby byl motor
ekonomicky únosný, musí být vzduch při vstupu do spalovací komory
dostatečně stlačený. Podle konstrukce pak dělíme proudové motory na
náporové, kompresorové a pulsační.
Náporový motor je nejjednodušší. Čerpadlo paliva je jedinou pohyblivou
součástí.
Schéma :
1 – náporová tryska
2 – vstupní difuzor
3 – spalovací komora
4 – vstřikování paliva
5 – zapalovací svíčka
6 – výtoková tryska
Vzduch vniká tryskou do difuzoru, kde ztrácí svou kinetickou energii a jeho
tlak roste. Ve spalovací komoře je vstřiknuté palivo zapáleno zapalovací
svíčkou. Po zapálení vzroste teplota vzduchu v komoře na dostatečnou
teplotu, aby se další palivo vznítilo již samo. Pro činnost musí být zajištěna
velká počáteční rychlost (pomocnými startovacími raketami) a hospodárný
provoz máme až při velkých rychlostech (dvojnásobek rychlosti zvuku).
Turbokompresorový proudový motor užívá kompresor, který slouží ke
stlačení nasávaného vzduchu a plynovou turbínu, která použitý kompresor
pohání.
Schéma turbokompresorového motoru:
Popis: 1 – nasávaný vzduch, 2 - vstupní komora, 3 – spouštěcí motor,
4 – kompresor, 5 – spalovací komora, 6 – rozprašovač paliva, 7 – svíčka, 8
turbína, 9 – výstupní tryska, 10 – uzavírací kužel, 11 – spaliny odcházející
z motoru
29
Pulsační motor – spalování neprobíhá spojitě při konstantním tlaku
a prostor spalovací komory je zcela nebo částečně uzavřen.
Schéma pulsačního motoru:
Prostor vstupu do motoru (difuzor) (1)je od spalovací komory oddělen
pružnými ventily (2). Pokud se zvětší tlak v difuzoru oproti tlaku v komoře
(3), tak se ventily otevřou a vzduch vtéká do spalovací komory. Tam dojde
ke vstřiku paliva (4) a zapálení směsi zapalovací svíčkou (5). Tlak vzniklý
hořením směsi uzavře vstupní ventily a otevírá výstupní ventily (6). Pak
unikají spaliny ven z motoru (7). Tím tlak v komoře klesne a celý děj se
začne opakovat. Jiná koncepce má výstupní ventily nahrazeny setrvačnostní
tryskou (vlastně jde o válec napojený na výstupní trysku.
Každý typ motoru je ideální pro jiné podmínky letu. Proto i rakety, které
vynášejí na oběžnou dráhu raketoplán či satelity, mají několik typů motorů
na jednotlivých stupních.
Bližší informace získáme
http://www.nasa.gov .
například na stránkách NASA
Zdroje surovin na naší planetě nejsou nekonečné. Dříve či později dojde
k jejich vyčerpání. Vedle snah o efektivnější využívání všech dostupných
zdrojů naší planety se zákonitě pozornost obrací vedle Měsíce i na další
planety naší soustavy, kde předpokládáme další zdroje potřebných surovin.
Na Měsíci jsou ložiska hliníku, titanu, železa. Podle NASA se zde vyskytuje
izotop helia 3He, který je na Zemi vzácný a který je uvažovaným palivem
pro termonukleární reaktory. V takových reaktorech, založených na
spojování atomů, by se neuvolňovalo radioaktivní záření. Jak tyto suroviny
dopravit na Zemi? Start rakety je ale energeticky velmi náročná záležitost,
poměr mezi celkovou hmotností rakety včetně paliva a vlastní vynášenou
družicí je velmi nevýhodný. Je nutné hledat alternativní řešení.
30
Vesmírný výtah
S rozvojem nanotechnologií se rýsuje i možnost snadnější a energeticky
méně náročnější cesty do vesmíru. V roce 1991 byl publikován objev
uhlíkových nanotrubiček. Jde o takovou strukturu uhlíkových atomů, kdy
vrstva má tloušťku jednoho atomu a celá vrstva je stočena do válečku.
Takto vzniklý materiál má velmi zajímavé vlastnosti. Má velkou pevnost
v tahu a je přitom lehký. (Jsou uváděny údaje 60 x pevnější jak ocel
a hustota se blížící hustotě vody.)
Názorně si můžeme tento materiál představit jako stočenou síť
šestiúhelníkového pletiva na ptačí voliéru či králíkárnu. Pokud je pletivo
rozvinuté v rovině (jako list papíru), je jeho možnost zatížení malá. Pokud
je svineme do kruhu, jeho možné zatížení velmi vzrůstá. Tento velmi
přibližný příklad je ale názorný – všichni známe drátěné stojany z různých
reklamních akcí (až navštívíte veletrh INVEX – DIGITEX, zkontrolujte).
Téměř všechny učebnice chemie uvádí
skutečnost, že ve vrstvě tuhy jsou silné
vazby mezi jednotlivými atomy, mezi
vrstvami vazby slabé. Proto se tuha
tak dobře stírá a používáme ji
v tužkách k psaní.
Vlastní myšlenka vesmírného výtahu je založena na spojení pozemní stanice
a stacionární stanice na oběžné dráze. (Stacionární družice obíhá v určité
výšce stejnou úhlovou rychlostí jako je rotace Země. Proto prakticky „stojí“
nad určitým bodem na zemském povrchu. Pokud by obě stanice byly
propojeny lanem, byla by možná kyvadlová doprava nákladů oběma směry
( na oběžnou dráhu i zpět na Zemi). Největším problémem je vyrobit nosné
lano – zde jsou extrémní požadavky na malou hmotnost a maximální
pevnost. Požadované vlastnosti mohou mít právě lana z uhlíkových
nanotrubiček. Vše je ve stadiu úvah a předběžných experimentů.
Blížší informace uvádějí například internetové
stránky
http://encyklopedie.seznam.cz/heslo/141972-orbitalni-vytah.
Kompozitní materiály
V mnoha oblastech se setkáváme s kompozitními materiály
s karbonovými vlákny. Nejznámější jsou asi tenisové rakety,
jízdní kola, golfové hole, součásti karoserie automobilů a letadel.
Postup výroby:
Výchozí surovina: polyakrylonitril, acetát celulózy, ropné produkty
1. fáze : stabilizace výchozího materiálu při 200 – 300 0C,
2. fáze : karbonizace při 1200 – 1500 0C (odstranění těkavých složek),
3. fáze : grafitizace při 2000 – 3000 0C .
31
Karbonizací získává materiál pevnost, grafitizací pružnost a elastičnost. Po
spojení s epoxidovou pryskyřicí vzniká finální laminát. Je velmi
lehký,pevný odolává vysokým teplotám. Rozhodující je směr vláken –
nejvyšší pevnost je ve směru vláken. Pokud je třeba pevnost ve více
směrech, musí být vlákna ve všech těchto směrech v materiálu uložena..
Užití:
- součásti karoserie aut, brzdových kotoučů,
- součásti mostních konstrukcí,
- směrové kormidlo letadel,
- závodní plavidla a vozidla,
- vrtule lodních šroubů,
- sportovní rakety, snowboardy, …
Jaké znáte druhy leteckých motorů?
Na čem je závislá vztlaková síla při letu?
Jaké znáte druhy raketových motorů?
V čem spočívá idea vesmírného výtahu?
Jaké jsou vlastnosti kompozitních materiálů?
32
Vodní hospodářství
Zdroje vody, úpravna vody, čistička
Vodní zdroje
V chemii jsme se seznámili s koloběhem vody v přírodě. Voda
(H2O) je nejrozšířenější chemická sloučenina na naší planetě.
I živá hmota se skládá především z vody.
Zdrojem vody jsou pro nás řeky, potoky, podzemní zdroje. Pro
zadržení vody v krajině využíváme rybníky, jezera, přehrady. Jednou
z nejzajímavějších našich přehrad jsou Dlouhé stráně na řece Divoké
Desné. Jde o přečerpávací přehradu. Voda je zde čerpána do nádrže na
vyhloubeném vrcholu kopce a tím je získán dostatečný potenciál k výrobě
elektrické energie. Použitá voda je zachycována v dolní nádrži a v době
s nižším odběrem elektrické energie je opět čerpána do horní nádrže.
Parametry přehrady i elektrárny naleznete na webových stránkách
Povodí Moravy http://www.pmo.cz .
33
Přitom můžeme konstatovat, že se chemicky čistá nevyskytuje. Vždy
obsahuje určitý podíl rozpuštěných sloučenin většiny prvků, které v tabulce
nalezneme. Známe rozsah pevnin i moří a oceánů na naší planetě. Jsme
schopni najít vodu pod povrchem, zadržovat ji na povrchu v rybnících a
jezerech. Tyto povrchové přírodní zdroje ale obsahují vodu v podobě, kdy ji
nelze přímo pít (vzhledem k chemickému či biologickému znečištění.
I mnoho podzemních zdrojů je již kontaminováno a proto musíme vodu
upravovat. U hlediska práva můžeme konstatovat, že na vodu má monopol
stát. Z globálního hlediska můžeme ( s nadsázkou ) říci, že světová válka o
vodní zdroje již dávno začala. (viz údaje OSN). Vodu z přírodních zdrojů
nyní musíme většinou upravit a to nejen pro člověka, ale i pro hospodářská
zvířata či průmyslové využití. Použitou vodu (odpadní vody) pak před
vypuštěním do přírody musíme vyčistit.
Úpravna vody
Pro úpravnu vody (vodárnu) je primární dostatečný vodní zdroj. Tím může
být řeka, přehradní jezero, studně či kombinace uvedených možností. Jako
první jsou zjišťovány fyzikální, chemické vlastnosti vody a je pravidelně
prováděn biologický a bakteriologický rozbor vody. Norma stanovuje
vlastnosti vody pro jednotlivá použití a pochopitelně je „nejtvrdší“ pro
pitnou vodu a speciálně pitnou vodu pro kojence.
Z fyzikálních vlastností jsou podstatné: hustota vody (největší při +3,98 oC,
viskozita (vnitřní tření, určuje hydraulické chování vody společně
s hustotou), elektrická vodivost (roste s obsahem rozpuštěných solí),
suspenze (rozptýlené látky , způsobují zákal vody), radioaktivita (přirozená
je velmi malá). Dále je sledovaná barva vody (ovlivňují ji rozpuštěné
a rozptýlené látky), chuť vody (důležité pro pitnou vodu) a pach vody.
Z chemického hlediska je nejdůležitější množství rozpuštěných organických
a anorganických látek. Zjišťujeme obsah kationtů, aniontů, neelektrolytů
a rozpuštěných plynů:
a) kationy: obvykle se určují disociované soli alkalických kovů
(Na+,K+,Li+), kovů alkalických zemin (Ca 2+, Mg2+), vlastních kovů (Al3+,
Fe2+, Mn2+, Pb2+, Cu2+, Zn2+).
b) anionty: chloridy, jodidy, bromidy, fluoridy (Cl- , J- , Br- , F- ), sírany,
sulfidy, hydrogensulfid, dusitany a dusičnany, fosforečnany, uhličitany a
hydrogenuhličitany.
c) neelektrolyty: nejvýznamnější kyselina křemičitá, hydroxid titaničitý a
látky huminové povahy.
d) rozpuštěné plyny – největší význam mají kyslík, oxid uhličitý, sirovodík.
Pro biologické vyhodnocení kvality vody se zjišťují makroskopické
a mikroskopické organismy. Pro bakteriologické vyhodnocení jsou
podstatné zárodky mikrobiální druhy střevní flóry.
(Zní to velmi odborně a dokonce i odpudivě, že?)
Zkráceně řečeno, zdroj vody nesmí obsahovat takovéto organismy a při
úpravě do vody musí být vpraveno takové množství dezinfekční látky, které
zajistí kvalitu i při rozvodu vody k jednotlivým spotřebitelům.
34
Užívané postupy při úpravě vody:
Mechanické postupy
-
sedimentace – z vody se vyloučí těžší látky v důsledku gravitačního
působení, lehčí (plavou) zachytí síta,
filtrace – přes filtry (písek, síto, keramika) se zachytí částice do
velikosti 0,1 µm,
rozprášení a provzdušování – jde o mechanické postupy, dochází
k odstranění rozpuštěných plynů oxidačním působením vzdušného
kyslíku i ke změnám chemické povahy,
odpaření – získáváme vodu téměř čistou (destilace vody).
Chemické postupy
Menší částice (0,1 µm – 1 nm) filtry nezachytí. Jde o koloidní roztoky a
jejich Brownův pohyb je intenzivní. Nejsou mikroskopem pozorovatelné.
Proto se využívají postupy:
- okysličování – rozpuštěná látky se převádí na ve vodě nerozpustnou
sloučeninu a vysráží se,
- srážení koloidních roztoků a následná sedimentace,
- koagulace – koloidní částice v nepravých roztocích nesou souhlasný
náboj, pokud rozptýlíme látku, která nese opačný náboj, tak dojde ke
shlukování částic,
- chemické „vázání“ – po přidání chemické látka vytvoří
s rozpuštěnou
látkou či plynem novou sloučeninu, která je
nerozpustná ve vodě a vysráží se nebo je neškodná a může ve vodě
zůstat,
- dezinfekce – všechny živé organismy jsou usmrceny intenzivními
okysličovadly.
Biologické postupy
-
pomalé biologické filtry – písková vrstva s „blánou“ živých
organismů, které „požírají“ organismy v protékající vodě,
skrápěná tělesa – různý materiál, využití bakterií, které pro svůj
život potřebují železo nebo mangan a tak jej z vody odstraňují,
provzdušňovací nádrže – kyslík ze vzduchu je využit k oxidaci a podpoře
živých organismů, které po využití odstraníme filtrací a dezinfekcí.
V případě výskytu radonu v surové vodě se užívají tzv. provzdušňovací
věže, kde pomocí proudu vzduchu dojde vyloučení radonu z vody do
volného prostoru.
35
Uveďme si některé příklady:
Odkyselení (odstranění oxidu uhličitého) - je použito všem známé vápno:
CaO + H2O + 2 CO2
→
Ca(HCO3) 2
Určete, jaké množství CaO je třeba na vyloučení 10 mg CO2 ?
Dekarbonizace vody
Ca(HCO3) 2 + Ca(OH) 2 → 2 Ca(CO3) + H2O
Vzniklá látka je vysráží. Reakce probíhá při pH 9,3 až 10. Po
dekarbonizaci je nutné provést úpravu pH na 7,0 až 7,5 a to přidáním CO2
nebo minerálních kyselin.
Změkčování destilací
Destilace je hojně užívaný způsob pro úplné odstranění minerálů z vody.
Voda se zahřeje a odpaří, následně ochladí a kondenzuje.
Zajímavost: naše běžná destilovaná voda je pro výrobu čipů velmi
„hrubou“ surovinou, která musí být upravena a vyčištěna. Pokud
není použita do 30 minut, musí být vrácena přečištění.
Změkčování srážením
Je odstraňována karbonátová i nekarbonátová tvrdost a oxid uhličitý a to
přidáním vápna a sody. Efekt závisí na teplotě, celkové době reakce a
přebytku chemikálií.
Dezinfekce vody fyzikálně
Pro zdraví jsou nebezpečné patogenní (choroboplodné) baktérie. Tyto
mikroorganismy můžeme odstranit ohřevem nad 70 oC. Tato metoda našla
užití v ošetřování potravin (pasterizace, UHT ohřev), ve vodárnách by ale
byla velice energeticky náročná (zahřátí, následné ochlazení vody). Další
metodou je dezinfekce ultrafialovým zářením. Procesem ozáření je
zajištěna bakteriální nezávadnost pitné vody bez použití chemických přísad,
záření zasahuje organismy, brání reprodukci, způsobuje jejich rozpad,
působí okamžitě, nezanechává ve vodě zdraví škodlivé produkty a používá
se na průtoky do 600 m3/hod. Ošetřená voda si uchovává svoji přirozenou
chuť, obsah minerálů a solí. Tato metoda je využívána i v zemědělství při
ošetřování některých druhů osiva.
36
Dezinfekce vody chemicky
Chemické látky vstupují do bakterií buněčnou blánou a zasahují do jejich
enzymatického systému tak, že zastaví či ochromí životní pochody.
Vodárenství využívá jako chemické dezinfekční prostředky sloučenin
kyslíku (peroxid vodíku H2O2, peroxid sodíku Na2O2), manganistan
draselný KMnO4. Dalším ze způsobů je ozónovaní vody. Trojatomové
molekuly kyslíku O3 mají toxické účinky na bakterie, viry a spory.
Demineralizace vody
Speciální úprava vody pro energetiku, pohon parních turbín. Je dosahována
vodivost nižší než 5 mikrosimens/cm.
Reverzní osmóza
Speciální technologie pro přípravu super čisté vody tj. odstranění
rozpuštěných minerálních a organických látek, bakterií a virů ve vodě. Je
využívána pro přípravu vody pro elektrotechnický průmysl (výroba čipů).
Podívejme se na běžnou úpravnu vody. Zdrojem je odběr z přehradní
nádrže na řece.
Voda je přirozeně předčištěna jezy na řece a přírodními překážkami na toku,
v přehradní nádrži dochází k sedimentaci dalších látek ve vodě obsažených.
Odběrné místo je volené tak, aby
nebyly nasávány nečistoty ani
z hladiny, ani ode dna. Přes hrubé
filtry přichází voda do vodárny.
Zde je přidáno vápno, které je
účinným prostředkem odkyselení a
demineralizace.
Dávkovací čerpadla pak dávkují
potřebná množství. Dávkovače jsou
zapojeny do automatického řízení
jakosti vody. Jak vidíme na obrázku na
další straně, každé čerpadlo má svůj
vlastní elektromotor, lze regulovat
otáčky a tím regulovat i množství
dávky.
37
Na dalším obrázku jsou zřetelně vidět ve slunečním světle vločky
(vysrážené látky), které jsou mechanicky hnány k přepadu.
Voda pak protéká soustavou pískových filtrů a v další nádrži probíhá
sedimentace a odběr vyčištěné vody od hladiny.
Celému procesu „velí“ řídící středisko, kde obsluha monitoruje na několika
počítačích jak jednotlivé postupu ve vlastní úpravně, tak i parametry v celé
sledované soustavě přivaděčů vody, podřízených úpraven a provozů. Vaše
znalosti z odborných předmětů Vám jistě pomohou odhadnout používaný
hardware na tomto řídícím pracovišti.
38
Následující zvětšené detaily zobrazují celkové schéma podřízené úpravny
vody i s konkrétními provozními hodnotami (průtoky vody systémem).
39
Čistírny odpadních vod
Při každém použití vody by měla být zajištěna maximální
efektivnost procesu a 100 % využití vody. Příkladem může být
typ automyček.
I minimální program mytí obsahuje namočení karoserie a postříkání mycí
pěnou jako první operace a opláchnutí umyté karoserie od zbytků mycích
přípravků před vlastním osušením. Jako ekologické označujeme užití vody
na prvotní ostřik ze zásobníku, kam stekla voda, která byla použita u
minulého mytí na závěrečné čisté omytí. Zbytky přípravků zde nehrají
žádnou roli a celkové množství spotřebované vody se výrazně sníží. Navíc
jsou na mytí užívány prostředky biologicky odbouratelné (v reálném čase se
v přírodě rozloží a neškodí).
Veškerá odpadní voda by měla být přečištěna před návratem do přírody.
Měli bychom rozlišovat mezi čistírnami odpadních vod, ve kterých se čistí
voda z kanalizace a čističkami odpadních vod, které jsou určeny k čištění
vody z domků o malém počtu osob a jde vlastně o jeden „přístroj“.
Každý nemá velkou zahradu, na které by mohla být umístěna přírodní
(kořenová) čistička (vlastně malý rybníček) pro čištění tzv. šedé vody. Tyto
velmi propagované kořenové čističky jsou založeny na vstřebávání živin
kořeny rostlin a tím vyčištění vody. Tento efekt ale působí pouze ve
vegetačním období, v zimním období se rostliny nachází v období
vegetačního klidu a čistička nefunguje. Koncentrace látek ve vodě by tak
v zimě narůstala a systém čističky vlastně zlikvidovala. Šedou vodou se
40
přitom rozumí odpadní vody z kuchyně, umyvadla, zkrátka voda bez fekálií.
Tento typ čištění je tedy vhodný pro chalupy, které nejsou celoročně, ale
nárazově užívány. Navíc musí být užívány biologicky odbouratelné mycí
prostředky.
Proto se podívejme nejprve na „rodinné“ čističky. Jsou většinou
konstruovány pro zpracování 1 - 4 m3 odpadních vod za den.
Skládají se z polypropylenové nádrže z lisovaných desek a jednotlivé části
jsou spojeny svařováním. V nátoku vody je česlicový koš, což je
provzdušňovaný vyjímatelný lapač hrubých mechanických nečistot .
Hydraulický systém je složený z rozvodů z polypropylenového potrubí
uvnitř nádrže. Zajišťuje cirkulaci kalu a vody mezi jednotlivými částmi
čističky . Aerační systém se skládá z dmychadla, rozvodu vzduchu
a jemnobublinných aeračních elementů. Dmychadlo je mimo nádrž.
Schéma čističky odpadních vod
Čistírny odpadních vod ve velkém
Jde o čističky určené pro větší množství zpracovávané odpadové
vody jak z domácností, tak z firem. Čisticí proces je založený na
dokonalém mechanickém předčištění a biologickém čištění
dlouhodobou aktivací se stabilizací kalu. Odstranění organických
látek při výrazném snížení koncentrace sloučenin dusíku se dosahuje
kombinací procesů nitrifikace a denitrifikace. Možné je i chemické
odstraňování fosforu. Jde vlastně o výše uvedenou čističku ve velkém.
41
Stavebně se čistička skládá z usazovací nádrže, aktivační nádrže, vyhnívací
nádrže a kalové nádrže. Konkrétní provedení se bude lišit podle kapacity
čističky. Z metod čištění, které jsme popsali u úpravy vody ve vodárně jde
o sedimentaci, provzdušňovací (aerační) systém, a vyhnívání zbylého kalu.
Z jakých částí se skládá běžná čistička odpadních vod? Většina našich měst
a obcí má za povinnost čistit své odpadní vody – podívejme se , jak taková
čistička vypadá – budeme sledovat cestu odpadní vody celou čističkou:
Začínáme odpadním kanálem, kde jsou umístěna česla
. Nejprve hrubé, které zachytí větší
plovoucí nečistoty (jde vlastně o
ocelovou
mříž
na
výstupu
přívodního kanálu). Voda protéká
čističkou samospádem, proto ji
nejprve musíme přečerpat do větší
výšky
tzv.
Archimédovým
čerpadlem.
Pak přitékající voda přichází na
jemná česla (na obrázku), které
zachytí částice do 5 mm velikosti
(zde jde převážně o zbytky jídla).
Nyní jde o to, zbavit vodu tuků,
které jsou na hladině. Oddělení
zajistí překážka na hladině. Stejný
postup
přehrazení
hladiny
používají požárníci při likvidaci
ropných skvrn na vodních tocích
(norné stěny).
Na obrázku je výrazně vidět vrstva
oddělených tuků. Ve stejné části
v důsledku pomalého proudění
odpadní vody dojde k sedimentaci
části pevných nečistot (především
písku).
42
Pak je voda smíchávána s částí obsahu pracovní nádrže s aerobními
mikroorganismy.
Přes další česla, na kterých dojde
k dalšímu částečnému oddělení
pevných částic a především
promíchání
a
provzdušnění
přichází odpadní voda do pracovní
nádrže.
Každá čistírna odpadních vod má
několik těchto nádrží.
Zde
dochází
k intenzivnímu
provzdušňování celého obsahu
nádrže a nečistoty oxidují. Výška
hladiny v nádržích je 5 metrů a
žádný plavec by se na hladině
neudržel. Vztlaková síla v této
„směsi vody a vzduchu“ je velmi
malá a vstup k nádržím v plné
činnosti je zakázán i pracovníkům
čistírny.
Na obrázku je zřetelné, jak voda při
probublávání intenzivně proudí.
Po dostatečném provzdušnění ( 4
hodiny) přestane být do nádrže vháněn
vzduch a kal sedá ke dnu (sedimentace).
Z hladiny je odváděna vyčištěná voda již
do vodního toku. Na obrázku vidíme
sběrač vyčištěné vody.
Dál spoléháme na přírodu samočisticí schopnost toku řeky
pod výpustí čistírny odpadních
vod.
43
Kal odebíraný ode dna je přečerpán do další nádrže a po zahuštění vyhnívá
ve vyhnívacích nádržích.
Při vyhnívání se uvolňuje metan,
který je jímán do zásobníku a je
využíván k ohřevu vody a
vytápění celého areálu v zimním
období. V popředí snímku je část
sběrače vyčištěné vody.
V separátoru pak je vysušený kal drcen
a končí na skládce, přichystán
k dalšímu využití.
Kalová skládka:
Další využití kalů není jednoduché, jak by se zdálo. Kal není ideální
k použití jako hlína či kompost. Obsahuje totiž množství látek, které procesy
nemohly být neutralizovány. Proto se pouze přidává do zemin určených
k pěstění rostlin. Podobně jako kal nemůžeme rozptýlit na orné půdě určené
k pěstování potravin, tak i bahno z rekultivovaného rybníka nelze vyvézt
jednoduše na pole. Také obsahuje nebezpečné látky a končí na skládce.
Námi sledovaná čistírna odpadních vod samozřejmě nemůže
vyčistit vodu zcela, do řeky se nevrací žádná pramenitá voda ani
voda destilovaná, spoléháme se i na samočisticí schopnosti
vodních toků a sledujeme, zda řeku nezatěžujeme příliš. Každý průmyslový
provoz má vlastní zařízení na částečné zachycování nečistot a vysoce
44
nebezpečné látky nemůže do odpadních vod vypouštět vůbec. Tyto jsou
zachycovány do speciálních nádrží a jejich likvidace probíhá ve
specializovaných zařízeních. Například ropné produkty (vyjetý motorový
olej, maziva, potřísněné tkaniny apod.) či použitý olej z restaurací a kuchyní
společného stravování je likvidován ve spalovnách a teplárnách, kde slouží
jako palivo. Ze stejných důvodu ani při domácím použití nebezpečných
látek (barvy, laky, ředidla, oleje, insekticidy a herbicidy, …) nemůžeme
zbytky vylít do odpadního potrubí, protože by mohly projít celým
systémem čištění a proniknout až do přírodního řečiště, kde by způsobily
„malou ekologickou katastrofu“. Proto tyto látky vždy odkládáme do
speciálních kontejnerů či je odevzdáme na sběrných místech, kde je odpad
separován a odvezen k bezpečné likvidaci.
Nejlepší by bylo nebezpečné látky vůbec nepoužívat nebo použití omezit.
V našem oboru je příkladem snaha výrobce čipů o omezení použití olova a
jeho budoucí nepoužívání vůbec. Dále obsahuje například každý procesor
určité množství zlata (spoje z čipu k vývodům) a tyto látky zatím
nerecyklujeme (nemáme vhodný postup pro průmyslové užití).
Jakým způsobem získáváme vodu pro konzumaci a průmyslové
využití?
Které postupy úpravy surové vody znáte?
Jaké jsou hlavní metody čištění odpadních vod?
45
Přístroje užívané v domácnosti
Spotřeba elektrické energie, ergonomie práce u PC, zásady
bezpečnosti při práci s elektrickým zařízením.
Pračka, lednička, televizor, radiopřijímač, různé přehrávače,
počítač, tiskárna, skener, herní konzoly – to vše najdeme v běžné
současné domácnosti. Na každém výrobku je uvedeno, jaké má
daný přístroj parametry a v jakých podmínkách má být používán.
Většina z nich je prezentována jako výrobek šetrný k životnímu prostředí.
Například u praček a ledniček je deklarována nízká náročnost na příkon
elektrické energie, filtry zachycující bakterie a zápachy v ledničkách. Jde
ale o výrobky, které jsou zapnuty po celý den a když nepracují, tak
v pohotovostním stavu spotřebovávají elektrickou energii. Přestože jde o
minimální spotřebu, tak při vysokém počtu zařízení jde o zajímavá čísla.
Zkontrolujte svoje domácí spotřebiče a zjistěte, kolik
spotřebovávají energie v klidovém stavu.
Modelový příklad:
Na štítku monitoru je uvedeno: … 100-240 V~ 50/60Hz 1,2 A … .
První údaj udává povolená napětí střídavého proudu, druhý údaj frekvenci a
třetí údaj maximální hodnotu protékajícího proudu. Na počítači jsou
uvedeny 230 V~ 50Hz 2 A .
Na štítku laserové tiskárny jsou uvedeny údaje 200-240 V~ 50-60Hz 4,5 A
a podle těchto charakteristik musíme mít upravenu elektrickou síť v naší
počítačové pracovně. Všechny štítky jsou nalepeny na zadní straně zařízení,
štítek na počítači obsahuje i výrobní kód ve tvaru: XY123456/MMRR. Údaj
před lomítkem je konkrétní výrobní číslo počítače, podle kterého lze počítač
dohledat a údaj za lomítkem je měsíc a rok výroby. Při reklamaci či opravě
je ihned jasné, zda počítač je ještě v záruce či již po. Na obrázku detailu
zadní strany PC si všimněme i síťového vypínače u přívodního kabelu – část
PC i po vypnutí je „pod proudem“ !
Při umístění počítače na konkrétní místo musíme sledovat:
1. Dostatečné větrání – větrací otvory na počítači musí být volné
s dostatkem místa na proudění vzduchu ( v praxi to znamená
minimálně 5 cm boční mezera a 10 cm zadní mezera, není vhodné
počítač umístit do obývací stěny či do zásuvky psacího stolu (bylo
by nutné zadní čelo zásuvky částečně odstranit. Teplotní pracovní
podmínky jsou 10 – 40 0C, do jiných podmínek (teplota, prašnost,
vlhkost) jsou určeny speciálně upravené počítače.
2. Napětí elektrické sítě smí kolísat pouze v přípustných mezích pro
základní jednotku (je nejcitlivější a obsahuje to nejcennější – naše
data). Při trvalém přepětí je počítač zcela bez funkce, odchylka
přepěťové špičky je přípustná do 15 V (při větší může dojít k poruše
46
zdroje, monitoru, pevného disku či grafické karty). Při podpětí se
mění barvy na monitoru, skokové napětí může poškodit pevný disk a
způsobí chyby v zápisu dat.
3. Pokud se odchylky vyskytují větší, je nutné předřadit počítačové
sestavě stabilizovaný zdroj s ochranou proti předpětí nebo
stabilizovaný napájecí zdroj se zálohováním na baterie (UPS).
Nesmíme opomenout ani kontrolu případné prodlužovaní šňůry
s vícezásuvkou, počítač i všechna periferní zařízení by měla být
zapojena do stejné vícezásuvky. Použití několika vícezásuvkových
okruhů je nevhodné.
Na obrázku je běžně prodávaná vícezásuvka s přepěťovou ochranou,
v případě stabilní elektrické sítě lze použít běžnou vícezásuvku
s vypínačem.
4. Ergonomické hledisko – počítač musí umožňovat pohodlnou a
bezpečnou práci. Většina příruček, dodávaných s počítačem uvádí
následující snímek:
47
Zapojení a vypojení PC:
Na zadní straně PC jsou všechny zásuvky pro zapojení. U zásuvky
přívodního kabelu najdeme síťový vypínač (na obr. v červeném kruhu) a na
štítku máme uvedený údaj o odběru proudu.
Zjistíme tedy například:
- Počítač: 2 A
- LCD monitor: 1,2 A
- Tiskárna : 4,5 A
- Reprosoustava: 0,09 A.
Celkem tedy bude protékat přívodním kabelem maximální proud 7,29 A.
Na prodlužovaní šňůře je údaj 6 A. Takováto šňůra tedy nevyhovuje. Pokud
není uveden údaj o proudu, ale údaj o příkonu, přepočítáme proud podle
vztahu I = P/U. Například údaj 1200W při napětí 200V znamená maximální
proud I =1200/220 = 5,46 A. Z důvodu bezpečnosti musíme vždy počítat
s maximálními hodnotami. V případě závady a přerušení proudu jističem
vždy odpojíme vadný přístroj a teprve pak jistič aktivujeme natažením.
Vadný přístroj vždy svěříme k opravě odborníkovi. Pokud dojde ke zničení
domovní pojistky, je zakázáno ji opravovat, pouze vyměnit za novou!
Na detailu zadní části PC vidíme, že
pro lepší orientaci je každá typ
zásuvky proveden v jiné barvě a tím
je omezena možnost chybného
zapojení. Případný jiný typ pro totéž
zařízení je řešen redukcí, dodávanou
s příslušnou komponentou. Zde na
obrázku jde o jiný typ výstupu
grafické karty než tmavě modrý
konektor. Podobné typy konektorů
nejde zásadně zaměňovat – mohou
sice vypadat stejně, ale mohou mít
zcela odlišné vnitřní zapojení.
Násilné vtlačení konektoru do zdířky
zásuvky může vést k ohnutí kontaktu
a k poškození daného zařízení.
V horším případě může dojít ke
zkratu a následnému znehodnocení
některé části na desce. Pak je nutná
výměna dané komponenty za jinou.
Oprava je obvykle nerentabilní a trvá
neúměrně dlouho.
48
Domácnosti využívají celou řadu dalších elektrických přístrojů s větším či
menším podílem řídících jednotek na bázi mikroprocesorů. Všimněme si
nejběžnějších – televizoru ( z těch větších) a žehličky (z těch menších). Na
obrázku je zachycena zadní stěna plazmového TV, příkon 480 W.
I zde (stejně jako na PC)
najdeme štítek s údaji a
blok
přípojných
konektorů. Pokud jsou
konektory
v provedení
s aretačními šroubky, je
vhodné
připojené
propojovací
kabely
zajistit (zašroubováním) a
tím zamezit náhodnému
uvolnění či poškození.
Na prodejním balení žehličky či varné konvice
také máme uveden údaj o elektrickém příkonu či
maximálním proudu a při eventuální výměně
poškozené přívodní šňůry musíme tuto
skutečnost zohlednit.
Ideálním řešením je nechat zabudovanou
přívodní šňůru vyměnit odborníkem v servisní opravně.
Které spotřebiče najdeme ve Vaší domácnosti?
Jaké jsou jejich příkony?
Popište zásady bezpečnosti při práci s elektrickým zařízením!
49
Chemie v běžném životě
Mýdlo, šampón, kondicionér, povrchové napětí, syndety,
abraziva, tenzory, detergenty, saponáty
Detergenty
Tímto pojmem označujeme všechny přípravky k mytí, čistění a praní.
Vše, co je určené k péči o lidské tělo, nazýváme kosmetické přípravky.
Každý z nás několikrát denně použije mýdlo – nejstarší detergent, známý již
z antiky.
Co je to mýdlo?
Z jakých látek jej vyrábíme?
Jaké má mýdlo složení a co je saponát?
Jak ovlivňuje mýdlo povrchové napětí kapaliny?
Při výuce fyziky jsme si osvětlili problematiku povrchového
napětí (tenze).
Připomeňme si:
- vyfukování mýdlových bublin,
- smyčka na mýdlové bublině po propíchnutí středové bubliny zaujme
kruhový tvar,
- vztah mezi povrchovou silou F a povrchovým napětím σ má tvar
F = σ . l , kde l je délka okraje povrchové blány,
- povrchové napětí se zmenšuje s rostoucí teplotou,
- povrchová energie je dána rozdílem potenciální energie molekul
v povrchové vrstvě a molekul uvnitř kapaliny,
- povrch kapaliny se chová jako pružná blána,
- na tenké bláně dochází k rozkladu světla.
Překonejte svůj odpor k domácím pracím a ochotně běžte pomoci
umýt nádobí. Skleničku o objemu 0,1 l naplňte do poloviny
vodou, přidejte kávovou lžičku oleje (je jedno, jaký ve vaší
kuchyni užíváte). Obsah skleničky důkladně promíchejte a nechte stát. Než
umyjete ostatní nádobí, tak se na hladině vytvoří vrstvička oleje. Přidejte
trochu saponátového roztoku, kterým umýváte, znovu promíchejte. Olej
vrstvu na hladině nevytvoří.
50
Voda nedokáže rozpouštět některé kapaliny v důsledku sil, které váží
molekuly v povrchové vrstvě (povrchové napětí, tenze)
Prostředky, které mají schopnost povrchové napětí změnit, nazýváme
detergenty nebo tenzory. Nejběžnějším z této skupiny látek jsou mýdla a
saponáty. Čím umožní smísení jinak nemísitelných látek?
Mýdla jsou soli mastných kyselin a hydroxidu sodného či draselného.
Výrazná zásaditá (alkalická) reakce mýdla je způsobena tím , že mastné
kyseliny jsou slabé, zatímco hydroxidy jsou silné zásady. Již ve výrobě je
snižována alkalita mýdel tak, aby použití mýdla neovlivňovalo výrazně
tvorbu ochranné vrstvy na slabě kyselém povrchu pokožky. N obrázku je
zachycena část prodávaných mýdel v regále marketu.
Mýdla
se
liší
navzájem obsahem
mastných kyselin.
V obchodní praxi
je členíme
na
toaletní
mýdla,
která
obsahují
vedle
vlastní
mýdlové
hmoty
další plnidla a
barviva,
látky
způsobující danou
vůni a regenerační
přísady. V prodeji
jsou jak mýdla
tuhá, tak tekutá. Podle obsahu vonných přísad se člení na odorizovaná a
deodorizovaná. První skupina je méně kvalitní a vyšší obsah vonných složek
překrývá případné pachy méně kvalitních tuků, ze kterých je mýdlo
vyrobeno. Za samostatnou skupinu lze považovat mýdla lanolinová (vhodná
pro suchou položku), která obsahují volné tuky (lanolin). Tyto tuky
zabraňují nadměrnému „odtučnění“ pokožky. Další skupinou jsou syndety,
což je klasické mýdlo se syntetickými tenzory. Zde je důvodem snaha o
malou srážlivost v tvrdé vodě. Velmi se rozšiřuje použití tekutých mýdel,
která se nesrážejí v tvrdé vodě, lépe pění a nejsou alkalická.
Další skupinou jsou draselná mýdla s pouze malým podílem sodného mýdla.
Jejich podstatnou vlastností je pěnivost a dobrá rozpustnost ve vodě.
Označujeme je jako holicí mýdla. Jejich roztok ve vodě a glycerolu se
používá jako holicí krém. Často jsou prodávány ve formě sprejů. Obsahují
desinfekční přísady, vonné přísady. Protože obsahují hodně vody, tak
pokožka nabobtná a vousy se napřímí a změkčí. Holicí břit také po vrstvě
mýdla snadněji klouže po pokožce.
Zcela speciální druh jsou dětská mýdla. Dětská pokožka je velmi citlivá a
proto mají menší alkalitu a přidané složky působí zklidnění pokožky.
Takovou přísadou je například heřmánek. Také obsah parfémů je nižší.
Jejich výroba je přísněji sledovaná a mají „tvrdší“ normu zdravotní
nezávadnosti a kvality.
51
Při koupání používáme koupelové pěny. Hlavní složka – saponáty, dále
zklidňující látky a parfémy. Další možností je použití koupelových solí, což
jsou anorganické soli, většinou síran sodný, chlorid sodný, síran
hlinotosodný (který muži znají jako kamenec), uhličitan sodný a další.
Mohou být přidány i organické kyseliny (kyselina citronová). Všechny
směsi mají napomáhat výživě a prokrvení pokožky, chránit proti infekci a
napomáhat odstranění nežádoucích zápachů.
Mýdla se samozřejmě dají použít i při praní, což by potvrdily naše
prababičky. Některé nečistoty můžeme předem odstranit mechanickou
cestou a to pomocí tzv. obraziv. Jsou to jemně mleté látky jako oxid
křemičitý, SiO2 a oxid hlinitý, Al2O3 . Obecně postup nazýváme obraze
a patří sem i kartáčování našich obleků. Mastnotu z látky odstraníme
přežehlením horkou žehličkou mezi dvěma savými papíry díky sníženému
povrchovému napětí (tuk přechází do dolní (studenější) vrstvy a odtud pak
do savého papírového podkladu.
Typický pohled do skříňky v koupelně:
Ke každodenní hygieně patří samozřejmě i péče
o dutinu ústní. K tomu nám slouží zubní pasty
s účinným kartáčkem a ústní vody. Jde o
suspenze, ve kterých vedle obraziv najdeme
stabilizátory, zahušťovadla, látky hubící
bakterie, leštidla, smáčedla, konzervační látky,
aromatické a chuťové přísady. Pevné složky
jsou rozptýlené v kapalných. Tato suspenze
musí odstranit vše nežádoucí z úst a nepoškodit
sliznice.
Co jsou některé komponenty?
Abraziva – anorganické soli (např. uhličitan
vápenatý, hořečnatý, křemičitan vápenatý). Jsou
velmi jemně pomleté, protože nesmí poranit
sliznici a poškodit sklovinu zubů.
Látky hubící bakterie – např. chlorečnan
draselný.
Aromatické a chuťové přísady – rostlinné silice (máta peprná, tymián,
eukalyptu, mentol).
Stabilizátory – zamezí vysychání – vícesytné alkoholy.
Pro zpevnění dásní a uvolnění zubního kamene jsou přidávány například
enzymatické přípravky, fluorid sodný, chlorofyl, vřídelní sůl, organické
kyseliny či další látky.
V ochranné ozonové vrstvě atmosféry dochází k velkým změnám, je
zeslabována a „díra“ v ní je stále větší. Je rozrušována působením freonů,
které likvidují molekuly ozónu O3. Nejnebezpečnější je část záření o
vlnových délkách 315 – 400 nm. Proto bychom měli omezit opalování na
dobu, která naší pokožce nadměrně neublíží a použít opalovací krémy nebo
oleje, které obsahují látky filtrující toto záření (UV filtry). (Údaj o filtru je
na obalu zapsán číslicí.) Čím je záření silnější (dovolená ve středomoří,
horské oblasti), tím vyšší ochranný faktor je třeba. Kůže je velmi pružný
obal našeho těla, který musíme udržovat opravdu průběžně. Nejslabší je na
víčkách (0,1 mm), nejsilnější na chodidlech (0,4 mm). K čištění, které má
52
odstranit pot, prach, nadbytek kožního mazu a odumřelé buňky, používáme
pleťové vody a mléka. Jde o roztoky obsahující etanol, tenzory, vícesytné
alkoholy, mentol, kafr, bylinné výtažky, kyselinu salicylovou a další
přísady. Cíl = pleť vyčistit, vydezinfikovat a zklidnit. Složení se liší podle
druhu pleti, pro kterou je pleťová voda určena. Pleťové mléko používáme
k důkladnějšímu čištění. Jde o vodní emulze tuků, lanolinu, glycerolu,
cholesterolu, různých olejů a dalších látek. K regeneraci se používají
pleťové masky, které mají nejrůznější složení.
Přípravky na vlasy
Do této skupiny přípravků patří zejména vlasové šampony, kondicionéry,
vlasové vody a laky na vlasy. Mýdelné roztoky poškozují svou alkalickou
reakcí rohovinu vlasů a působí nepříznivě na naši pokožku, zejména na
vlasové kořínky. Základní složkou zde jsou syntetické tenzory (saponáty)
doplněné bylinnými extrakty, lecitiny, vaječnými práškem, dezinfekčními
prostředky a vonnými látkami.
Šampony jsou vyráběny a dodávány převážně tekuté a jsou baleny
v lahvičkách, polštářcích nebo tubách. Výběr provádíme podle charakteru
našich vlasů a citlivosti naší pokožky.
Základem kondicionéru jsou látky, které jednak snižují elektrostatický
náboj, jednak vyhlazují povrch vlasů. Vlasové vody pak podporují růst
vlasů, omezují tvorbu lupů, vypadávání či lámání vlasů, dezinfikují a
osvěžují pokožku hlavy. Jde o roztoky účinných látek ve 40% ethanolu, tedy
rostlinných výtažků (z kopřiv, heřmánku, břízy, chmele a arniky), tuků a
vyšších alkoholů, (zamezují vysychání pokožky), vitamínů (proti
vypadávání vlasů), sloučenin síry a složitých organických látek (zabraňují
tvorbě lupů).
Laky na vlasy jsou roztoky polymerních látek v ethanolu. Jejich vlastnosti
zajistí rychlé zasychání a přitom nezpůsobují lámavost vlasů, jsou částečně
odolné proti vodě. Lze je snadno odstranit roztokem šamponu. Prodávají se
ve sprejích a rozstřikují se ve formě aerosolu. Jako hnací látka byl používán
freon, dnes bezfreonové balení (mechanický rozprašovač).
V současné době je obvyklé barvení vlasů i dívek i chlapců (například
chlapci se obarví stejnou barvou před zápasem svého oblíbeného mužstva).
Používají se kovová, rostlinná a syntetická barviva. Kovová barviva může
aplikovat pouze profesionál, (pokud by se kov dostal do kontaktu
s peroxidem vodíku používaným na úpravu vlasů, proběhl by bouřlivý
rozklad peroxidu, který by způsobil okamžité zničení vlasů a výrazné
poškození pokožky). Z rostlinných barviv jsou nejpoužívanější barvy na
bázi HENY. Další přírodní barvy (rebarborová šťáva, šťáva z nezralých
vlašských ořechů aj.) mají jen krátkodobé působení. Jsou proto užívány
pouze ojediněle.
Kdo má vlasy rovné, přeje si vlnité a naopak! (postřeh ze školy).
Podstatou vlasů je bílkovina kreatin. Z výuky chemie víme, že
molekula bílkoviny je složena z aminokyselin, které jsou
vzájemně vázány peptidickou vazbou. Přitom řetězce
aminokyselin jsou svinuty do šroubovice a několik takových šroubovic je
vzájemně propleteno.
53
V keratinu jsou aminokyseliny uspořádány do šroubovic samozřejmě také.
Makromolekuly keratinu jsou vzájemně spojeny vazbami mezi atomy síry –
disulfidickými můstky.
Disulfidické můstky spojují sousední molekuly do síťových útvarů. Jsou
pevné, ale působením chemickým látek je lze rozpojit. Například
thioglykolanem amonným, který zřetelně páchnoucí po amoniaku.
(Vzpomínáte si na charakteristický zápach v kadeřnictví?) Po nanesení
takové látky dostanou vlasy žádaný tvar.
Po aplikaci je třeba nový tvar zpevnit, což dosáhneme pomocí oxidačního
prostředku (často peroxidu vodíku). Ten způsobí uvolnění atomů vodíku ze
skupin –SH a sirné můstky se obnoví.
Rtěnky, líčidla, laky na nehty
Tato oblast je doménou především žen. Patří sem líčidla, rtěnky, tužky na
obočí, oční stíny a barevné laky na nehty.
Rtěnky jsou používány k obarvení rtů a k upravení jejich tvaru. Volba barvy
musí ladit s barvou pleti, očí a vlasů. Dále je nutné vzít v úvahu prostředí,
ve kterém se bude nalíčená osoba pohybovat.
Rtěnky jsou vyráběny z olejů, vazelíny, vosků, vyšších alkoholů, lanolinu,
cholesterolu, lecitinu, starinu, barviv, parfémovaných a chuťových látek.
Nesmývatelné rtěnky jsou odolné proti otěru a vlhkosti, mohou obsahovat
také UV filtr.
Lak na nehty je roztok nitrátu celulózy v organickém rozpouštědle.
Obsahuje barviva, pigmenty a změkčovadla. Má funkci jak dekorativní, tak
ochrannou. Odstraňujeme odlakovačem, což je směs stejných organických
rozpouštědel, jaká se používají k výrobě. Laky na nehty i odlakovače jsou
hořlaviny první třídy!
Parfémy, toaletní a kolínské vody
Již v dějepise jsme se dozvěděli o pokusech odstranit nepříjemné tělesné
pachy. Buďto můžeme odstraňovat nečistoty z povrchu těla častým mytím,
nebo překrýt nepříjemné pachy ostřeji vonící látkou. Vzpomeňte si na
libovolnou reklamu z této oblasti. Každý z nás pracuje v jiném prostředí,
jinak se potí a během dne nemá k dispozici kdykoli možnost se důkladně
umýt či osprchovat. Vzpomeňte si na třídu po výuce tělesné výchovy nebo
na šatnu ve fitcentru! V biologii byl uvedena skutečnost, že i při výběru
partnera hraje velký význam tělesná vůně. Důvodem je prý odlišná
genetická výbava, která má partnerce zajistit větší šance na přežití jejich
případných potomků.
Krátce řečeno – chceme svému okolí vonět. Proto používáme parfémy,
voňavky, kolínské vody a deodoranty. Jde o ethanolové roztoky vonných
substancí rostlinného nebo živočišného původu. Přírodní vonné látky se
získávají z rostlinných částí klasicky (vyluhováním, lisováním, destilací
s vodní parou apod.). Jsou ale používány i látky syntetické. Vonné látek je
zpravidla použito na tzv. kompozice více. Každá firma úzkostlivě tají
konkrétní složení. Některé parfémy obsahují i několik set složek.Vonné
látky je možné připravit i synteticky jako estery (sloučeniny alkoholů a
kyselin).
Byla vypracována podrobná klasifikace vůní. Vůně pro dámské parfémy
jsou roztříděny do tří hlavních skupin na květinové, orientální a vůně
chypre. Pánské parfémy obsahují vůně čerstvé, orientální, dřevnaté apod.
Použití může být i kontraproduktivní – co voní jednomu, nemusí vonět
54
druhému. Parfém je roztok vonné látky v ethanolu ( koncentrace nejméně 12
%). Jsou dodávány v malém objemu, vůně je obvykle velmi intenzivní. Na
trhu jsou i tuhé parfémy, jejichž základem jsou čisté vyšší uhlovodíky
(uhlovodíky s dlouhým řetězcem), ve kterých je rozpuštěna směs vonných
látek.
Toaletní voda a kolínská voda jsou roztoky o nižších koncentracích vonných
látek, je nutné zvolit větší množství při aplikaci.
Deodoranty obsahují kromě vonných látek také složky, které omezující
tvorbu a rozklad potu. Tyto látky stahují potní žlázy a mají antibakteriální
účinky.
Při použití všech těchto přípravků bychom měli vzpomenout na pohádku
„Byl jednou jeden král“ s Vlastou Burianem a Janem Werichem: „…
přiměřeně, přiměřeně…“!
Jaké látky objevíte ve vlastní koupelně?
K jakým účelům je používáte?
Jaké je složení těchto látek?
Jak by jste charakterizovali ekologické balení?
Čištění a úklid v domácnosti, běžné práce
Úklidové prostředky, mytí nádobí, čištění skla, hygienická
zařízení, ochrana kovů, vlákna, praní, malování, lepení
Existuje mnoho chemických výrobků pro tuto oblast. Uveďme si
aspoň některé.
Základními složkami jsou tenzory (mýdla a syntetické tenzidy),
abraziva a organická rozpouštědla. Dále jsou v těchto výrobcích
aktivační, bělící a další speciální přísady.
Aktivační přísady zvyšují účinky tenzidů a snižují účinky látek, které
způsobují tvrdost vody. Například soda (uhličitan sodný), síran sodný a
křemičitany. Jiné, novější výrobky, obsahují jako aktivační složku alkalické
soli polyfosforečných kyselin (obsahují ve své molekule několik atomů
fosforu a jsou vysoce účinné).
Bělící přísady uvolňují během čistícího procesu aktivní kyslík. Uplatňují se
proto u prostředků na praní. Vzpomeňte na reklamu na aktivní kyslík!
Současné přípravky obsahují další speciální přísady. Jejich užití poznáme již
podle názvu: dezinfekční látky, enzymy (zlepšují rozpustnost bílkovinných
nečistot), filmotvorné látky (vytvářejí na povrchu čištěného předmětu
ochrannou vrstvu), antistatické přísady (snižují elektrický náboj na
nevodivých předmětech, a tím zabraňují usazování prachových částeček),
homogenizační přísady (zvyšují tekutost přípravku), parfemační a barvící
látky, antikorozní přísady. Veškeré tyto přísady mají zajistit dokonalejší
vlastnosti přípravku:
55
- smáčivost
(dokonalý styk mezi čištěným předmětem a čistícím
přípravkem,
- odmašťování (uvolňování mastných nečistot z povrchu předmětu a jejich
převedení do roztoku),
- emulgační schopnost (mísení vzájemně nerozpustných látek),
- pěnivost (nutná při vynášení nečistot z lázně nebo z povrchu čištěného
předmětu, či při stabilizaci účinné látky na čištěném povrchu),
- bělící schopnost (zachovává nebo obnovuje čistě bílý povrch čištěného
povrchu a je dosahována chemicky nebo fyzikálně.
- snižování povrchového napětí (na styku dvou kapalných látek dochází
vlivem povrchového napětí k omezení vzájemné rozpustnosti),
- rozpustnost (čistící či prací prostředek je užíván ve vodném roztoku a
proto musí být dobře a rychle rozpustný),
- filmotvornost (někdy je třeba, aby na povrchu čištěného předmětu
vznikla ochranná vrstva (film).
- biologická odbouratelnost (zbytky přípravku musí být z přírody
odstranitelné pomocí běžných mikroorganismů),
- biologické vlastnosti (pokud mají prostředky případné nežádoucí účinky
na lidský organismus, musí být na ně v návodu k použití upozornění).
Mytí nádobí
Velmi neoblíbená činnost. Většinou se používají tekuté prostředky.
Prodávají se koncentrované roztoky obsahující tenzidy, emulgátory a
rozpouštědla. Jejich vodné roztoky pak odstraňují nečistoty z povrchu
nádobí, udržují je rozptýlené, takže se neplavou na hladině lázně ani se
nezachytí na stěnách dřezů či na povrchu nádobí.
Teplota při užití je 30-40 oC (jde o teplotu tání jedlých tuků).
Při tepelném zpracování potravin na nádobí vznikají rozkladné produkty,
které jsou při vyšších teplotách spalovány. Tato znečištění odstraňujeme
pomocí mycích past, případně prášků. Tyto pasty obsahují vedle složek
rozpustných ve vodě ( tenzorů a alkalických látek působících nabobtnání
rozkladných produktů) ještě abraziva (křemičitany či jemně práškovaný
křemenný písek).
Ne vždy máme při mytí gumové rukavice a proto prostředky obsahují látky
zabraňující odmaštění pokožky a parfémy (nepříjemná práce, příjemná
vůně).
Čištění skla
Sklo je kapitola sama o sobě. Okenní tabule
musí být průhledná, sklenku na stole chceme
mít dokonale čistou a vyleštěnou. Ve skle
jsou alkalické látky, např. oxid sodný,
draselný a vápenatý, vázané na oxid
křemičitý. Vzdušná vlhkosti a kyselé plyny
v ovzduší (hlavně oxidu uhličitého a oxidu
siřičitého) způsobí, že se tyto látky na
56
povrchu uvolňují a rozrušují povrch skla. Hovoří se o mikroskopické korozi
skla. Přípravky by při mytí měly tento jev omezit. Tedy nejen odstranit
mechanické nečistoty, ale také omezit rosení a zvýšit odpudivost vody nebo
částic nečistoty od povrchu skla. Vodné roztoky odmašťovacích a mycích
přípravků při častém používání naopak urychlují tuto korozi. Proto se
používají roztoky alkoholů (ethanolu, propanolu) a vhodných smáčedel.
Používají se také pasty s anorganickými látky s adsorpčními schopnostmi.
Po aplikaci pasty se nečistoty uvolní z povrchu a adsorbují se na tuhou
látku, která je ze skleněné plochy mechanicky odstraněna setřením.
Proti orosení skel používáme buď hygroskopické látky (vodu pohlcují),
které rozpouštějí drobné kapky sražené vody, nebo hydrofobní látky
(odpuzující vodu). Vodní pára se sráží v drobné kapičky, které ihned
stékající ze skleněné plochy pryč.
Hygienická zařízení
Vana, umyvadlo, klozetová mísa, bidet i jejich okolí musíme udržovat čisté
a dezinfikované. Je nutné přitom odstranit i nepříjemné pachy. Proto
obsahují přípravky k jejich čištění vedle tenzorů a obraziv i dezinfekční a
deodorační složky. Dezinfekční účinek mají sloučeniny uvolňující chlor
(chlornan sodný, chloramin), deodoračními přísadami jsou vonné
aromatické látky. Obvykle jsou ve směsi s organickými rozpouštědly.
Prodávají se i tuhé organické látky, které za pokojových teplot sublimují,
např. naftalen. Pokud znečištění je
většího rozsahu,lze použít i velmi
agresivních chemikálie, např.
kyselinu chlorovodíkovou. Osobně
bych ji nedoporučoval použít
opakovaně – povrch klozetové
mísy je pak poleptán a to umožňuje
snazší
usazení
nečistot
a
choroboplodných bakterií.
Kyselina chlorovodíkové se užívá
při úpravě vody (jak jsme si uvedli dříve) ke snížení tvrdosti vody.
Usazeniny na hygienických zařízeních obsahují vápenaté ionty (ve formě
uhličitanů), soli kyseliny močové a soli mastných kyselin (z mýdel).
Podobně se na stěnách usazují soli železa obsaženého ve vodě. Usazování
těchto látek jsou schopny zabránit látky, které mohou vázat vápenaté i další
ionty pevnou vazbou. Nutnou podmínkou jej jejich dobrá rozpustné ve
vodě. Označujeme je komplexní sloučeniny.
Ochrana povrchů kovů
Kovový povrch může být znečištěn různými vlivy:
- produkty chemických reakcí vlivem látek v ovzduší (koroze
vzdušnou vlhkostí či vodou, kyslíku, oxidů siřičitého, uhličitého,
sirovodíku, ),
57
-
látkami, které na kov byly použity dříve (vrstvy maziv, barev, olejů
a mnoha dalších látek).
Vhodný prostředek či metodu očištění je nutné vybrat podle konkrétního
znečištění. Nejběžnější fyzikální metodou je mechanické odstranění
ocelovým kartáčem nahrubo, smirkovým papírem či abrazivním práškem
najemno. V případě dostatečné tloušťky materiálu lze nečistoty obrousit.
Chemické metody spočívají buď v použití rozpouštědla, které nečistoty
převede do roztoku. Při rozpouštění může dojít k chemickým reakcím, které
nečistotu změní na jinou látku. Toto se děje například při alkalickém
odmašťování. Provádí se v lázních obsahujících tenzory a hydroxid sodný,
uhličitan sodný a křemičitany. Alkalické odmašťování nemůžeme použít při
čištění předmětů z hliníku, v případě předmětů pozinkovaných či
pocínovaných (pozinkovaná krytina na střechách. Další metodou je
odmašťování organickými rozpouštědly. Benzín, motorová nafta i petrolej
jsou odmašťovadla, která užívá každá dílna či opravna motorových vozidel.
Rychlejšího odmaštění než benzínem dosáhneme použitím chlorovaných
uhlovodíků (trichlorethanu). Výhodou je jejích nehořlavost, nevýhodou je
jedovatost. Mají totiž karcinogenní účinky. Pokud s ním musíme pracovat,
musíme dostatečně větrat!
Produkty koroze se odstraňují z povrchu mořením nebo odrezováním (běžně
je prodáván prostředek - odrezovač. Moření je působení roztoku kyseliny
sírové, chlorovodíkové, či dusičné na povrch kovu, odrezování se provádí
roztoky kyseliny fosforečné a alkoholy. Mechanicky jdou nečistoty odstranit
tzv. pískováním, což je očištění povrchu směsí písku a vzduchu. I některé
barvy mají uvedeno v popisu použití, že mohou být použity na mírně
zkorodovaný povrch. Zde však musíme poznamenat, že zkorodovaná vrstva
muže být velmi slabá (10-6 m ) a proto radíme radši čistit.
Zvláštní kapitolou jsou drahé kovy, které se čistí vatovým tamponem s
aktivním roztokem, (často na základě amoniaku) nebo ultrazvukem.
Složení jednotlivých přípravků se liší podle konkrétního použití, např. Sidol
k čištění slitin mědi, Silichrom k čištění pochromovaných předmětů.
Modernější přípravky mají přidánu komponentu, které vytváří na povrchu
ochranný film – často je využíván silikon.
Péče o nábytek
Nábytek je převážně ze dřeva či umělých hmot a odstranit z jeho povrchu
nečistoty nestačí. Je třeba vytvořit ochrannou vrstvu, která zabrání dalšímu
usazování nečistot.Používají se vysychavé oleje (např. lněný), vosky
(parafiny, včelí vosk), rozpouštědla (benzín, terpentýn, glykoly),
emulgátory, styrenové a akrylové polymery, kovová mýdla a další látky.
Údržba podlah
Čistící přípravky jsou v podobě vodných roztoků, roztoků rozpouštědel a či
disperzních čističů. Obsahují rozpuštěné tenzidy , disperzní čističe obsahují
vedle roztoků látek ve vodě i roztoky jiných látek v organickém
rozpouštědle. Roztoky jsou vzájemně rozptýleny – dispergovány. Vodná
fáze obsahuje roztoky tenzorů, organická fáze obsahuje také vosky a
polymerní látky.
58
Zvláštní skupinou jsou odstraňovače a snímače. Jde o koncentrované
přípravky, které jsou mimořádně účinné a používají se bez rozpouštědel.
Běžné leštící a konzervační přípravky jsou například pasty na parkety a
leštící a samolešticí disperze na různé povrchy. V současné době jsou
moderní přírodní materiály a ty vyžadují pravidelné a důkladné ošetření.
Například klasická pasta na parkety. Jde o stejnorodou směs roztavených
vosků a benzínu. Za vyšších teplot taje na čirý roztok a po ochlazení pět
tuhne. Po aplikaci dojde k odpaření rozpouštědla a pasta vytváří tvrdý
a odolný film, který je celkem snadno leštitelný.
Na plastové podlahy (přestože mohou mít vzhled dřeva) jsou určeny
leštící a samolešticí disperze. Jde o vodnou disperzi akrylových polymerů,
která po vyschnutí vytvoří tvrdý lesklý film. Dalším kladem je nehořlavost.
Vlákna kolem nás
Již zcela běžným termínem článků v časopisech jsou vlákna, vyrobená
pomocí nanotechnologií, která mají mít široké spektrum použití. Můžeme si
přečíst článek o kompozitních materiálech, výtahu do vesmíru po lanech
sestavených z nanotrubiček . Nové tkaniny mají mít samočistící schopnosti
a mají postupně uvolňovat vůně, léky či jiné látky. Klasifikujme si však
běžné vlákna a tkaniny. Právě ty najdeme po odstranění krytu ve vnitřním
prostoru našeho PC. Větrání PC je zajišťováno aktivním větráním. Všechny
vrtulky vlastně vyfukují teplý vzduch z prostoru PC a proto musí být z okolí
PC nasáván studenější vzduch do vnitřního prostoru. Samozřejmě včetně
prachu a různých vláken. V každé domácnosti či kanceláři je použita celá
řada vláken.Užívaná vlákna rozdělujeme podle původu.
Rostlinného původu jsou vlákna ze semen (bavlna, kapok), ze stonků (len,
konopí, juta), nebo z plodů rostlin (kokos). Podstatou těchto vláken je
celulóza nebo buničina. Za vlhka neztrácejí pevnost, jsou odolná vůči
organickým rozpouštědlům i alkáliím a málo odolná vůči organickým
rozpouštědlům i alkáliím, a málo odolná vůči minerálním kyselinám. Po
zapálení hoří jasným, klidným plamenem.
Živočišného původu jsou například vlna (srst zvířat) či přírodní hedvábí
(zámotek kukly bource morušového). Tato vlákna mají bílkovinnou
povahu. Odolávají méně koncentrovaným kyselinám, za vyšší teploty jsou
velmi málo odolná vůči alkalickým roztokům a po zapálení se škvaří a
páchnou po spálených vlasech.
Chemický průmysl vyrábí rovněž vlákna z přírodních i syntetických
polymerů. Například viskozová vlákna (z regenerované celulózy) a vlákna
acetátová (z derivátů celulózy).
Velkou skupinu syntetických vláken tvoří vlákna polyamidová, která jsou
odolná vůči alkáliím, ale již méně odolná vůči koncentrovaným kyselinám ,
za nižších teplot dobře odolávají organickým rozpouštědlům. Nejznámějším
polyamidovým vláknem je nylon, který způsobil po druhé světové válce
doslova revoluci (nylonové punčochy). Také sem patří polyesterová vlákna,
za nižších teplot velmi odolná vůči kyselinám i vůči málo koncentrovaným
alkáliím a organickým rozpouštědlům.
Hutnická vlákna jsou například skleněná vlákna. Tkaniny z nich se uplatňují
jako izolace i jako dekorační prostředek. Jednotlivá vlákna se v našem
59
oboru začínají využívat pro přenos informací světelným paprskem. Zde je
nutná velká přesnost a dokonalý povrch takovéhoto vodiče.
Praní
Praní spočívá v přesunu nečistoty z praného předmětu do prací lázně. U
tkanin nesmi dojít k poškození tvaru, pevnosti ani zbarvení. Chemickou
podstatou znečištění jsou různé mastnoty složené z nepolárních molekul
látek nerozpustných ve vodě, která je složena z polárních molekul. Proto se
používají látky, které rozpuštění mastnoty usnadňují (tenzidy).
Každý z nás denně užívá mýdlo.Voda, kterou používáme, obsahuje vždy
určité množství rozpuštěného hydrogenuhličitanu vápenatého (i dalších).
Podle obsahu hovoříme o tvrdé či měkké vodě. Hydrogenuhličitan vápenatý
disociuje na ionty hydrogenuhličitanové a na ionty vápenaté. Ty pak srážejí
mýdlo - vytvářejí s anionty mastných kyselin nerozpustné soli a pak již
nejsou schopny rozpouštět nečistoty. Pokud nemáme na praní měkkou vodu,
používáme změkčující přísady. Nejdůležitější je uhličitan sodný Na2CO3,
známý jako soda. Ta hydogenuhličitan vápenatý mění na nerozpustný
uhličitan vápenatý. Tím se vápenaté ionty vyloučí z roztoku ve formě
sraženiny a nemohou již vytvářet nerozpustnou sůl s aniontem mastné
kyseliny. Podobně působí i některé další látky např. pyrofosfáty,
křemičitany, peroxoboritany.
Všechny dnes užívané prací
prostředky
jsou
tvořeny
syntetickými tenzidy a mýdlem a
to v různém poměru. Dále obsahují
ještě další doplňující složky jako
prostředky změkčující vodu, vonné
složky, bělící prostředky, ochranné
koloidy
(zabraňují
zpětnému
usazování již uvolněných nečistot),
enzymy, různá rozpouštědla a
opticky zjasňující prostředky.
Opticky zjasňující prostředky
obsahují organické látky, které
přilnou k tkanině, kde absorbují
část ultrafialového záření a naopak
uvolňují záření viditelné v oblasti
modré, fialové a zelené barvy.
Cílem je kompenzace nažloutlého
odstínu tkaniny, který vzniká
opakovaným praním. Stejný efekt
mají i modré pigmenty – tzv.
modřidla.
Někdy je náš oděv znečištěn tukem, mlékem, barvivem – každý z nás se
něčím polil, umazal. K vyčištění často volíme organická rozpouštědla,
především pro odstranění skvrn, jejichž podstatnou je mastnota. Při volbě
60
rozpouštědla je osvědčené vyzkoušet předem jeho účinky na malém kousku
látky, který nebude vidět. Rozpouštědlo vytíráme až do sucha nebo
odplavíme nečistotu zcela mimo látku oděvu.
Některé skvrny se odstraňují i chemickou přeměnou látky. Využíváme buď
oxidaci – čistícím prostředkem je většinou peroxid vodíku, nebo alkalickou
reakci roztoku amoniaku.
Nátěrové hmoty
Vše, co používáme, stárne. Sluneční záření mění barvu předmětu, vlhkost
a oxidy v ovzduší způsobují korozi, plastové výrobky mění své vlastnosti,
dřevo ztrácí pevnost - trouchniví. Užíváním dochází k poškrabání povrchu,
použité barvy již nejsou „in“, zkrátka vzhled věcí kolem nás něčím
nevyhovuje. Na řadu přichází nátěr (abychom předmět ochránili či vylepšili
jeho vzhled).
Povrch předmětu pokryjeme vrstvičkou kapalné látky, která se určitou dobu
přemění na látku pevnou a vytvoří tenkou ochrannou vrstvu.
Nátěrové hmoty jsou směsi, které vlivem vnějšího prostředí změní své
kapalné skupenství na skupenství tuhé. Jednotlivé součásti se vzájemně liší
svou těkavostí (rychlostí přechodu do plynného skupenství). Jako
rozpouštědla používáme organické látky, (ethanol, xylen, aceton, toluen). Po
provedení nátěru se tyto těkavé látky rychle odpaří a ostatní složky nátěru
vytváří na povrchu tenkou vrstvu (zajistí požadované vlastnosti). Ostatní
složky jsou látky vytvářející povrchový film, pigmenty a barviva (tvoří
vlastní barvu) a případná plnidla. Povrchový film vytváří vysychavé oleje,
přírodní, zušlechtěné i syntetické pryskyřice, deriváty celulózy a kaučuku,
asfalty. Vysychavé oleje jsou rostlinné kapalné tuky, které se na vzduchu
mění v pevné látky. Stejného účinku dosahujeme použitím tuhých látek,
které se do nátěrových hmot přidávají rozpuštěné v rozpouštědle. Většinou
jde o látky rozpustné v organických rozpouštědlech, některé ale jsou
rozpustné i ve vodě.
Zvláčňovadla jsou netěkavé , vysokovroucí kapaliny, které makromolekulárním složkám v nátěrových filmech dodávají vláčnost.
Pigmentové složky zajišťují barevný odstín. Používají se anorganické
barevné látky (oxidy, chromany), organická barviva, případně i kovy
v práškovité formě.
Plnidla jsou to jemně mleté nerozpustné minerální látky (křída, asbest,
mastek). Nemají vliv na barvu, jsou důležité pro technologii nátěru. Jako
transparentní (průhledné) nátěry označujeme ty, které neobsahují ani
pigment, ani plnidla (např. laky a fermeže). Ostatní nátěry (s obsahem
pigmentů a plnidel) nazýváme emaily, nátěrové barvy a tmely.
Rozdělení barev a nátěrů
a) Rozdělení podle vlastností
- asfaltové (izolační nátěry zdiva, kovových předmětů a konstrukcí )
- celulózové (úpravě dřeva, podlahovin, konstrukcí, stěn)
- silikonové (ochranné nátěry kovových předmětů)
61
Obsahují jemně práškový hliník a jsou určeny pro vyšší teploty
- lihové (roztoky přírodní pryskyřice v bezvodém ethanolu – např. lihový
lak). Pokud přidáme pigmenty a plnidla, získáme lihové emaily.
Lihové nátěry nejsou vhodné pro úpravu předmětů, které budou vystaveny
vlhku a teplu
- olejové (vysychavé oleje, které po nanesení v tenké vrstvě na vzduchu
zasychají a vytvářejí průhledný nátěrový film). Roztoky zasychavých
olejů a pryskyřic v organických rozpouštědlech jsou užívány jako laky,
obsahují-li ještě pigmenty a plnidla, jsou užívány jako emaily nebo barvy.
Podle určení nátěru se přidávají speciální příměsi (v antikorozních
nátěrech např. sloučeniny olova). Nejvíce se ale užívají fermeže
k napouštění natíraného dřevěného předmětu .
- syntetické – roztoky syntetických pryskyřic v organických rozpouštědlech.
Rychle zasychají a odolávají vodě a dalším agresivním vlivům
Latexové barvy jsou syntetické hmoty ředitelné vodou. Jsou to disperze
jemně rozemletých práškových pigmentů, plnidel, přísad a syntetického
pojidla ve vodě.
b) Rozdělení podle užití
- napouštěcí (pórovité materiály jako dřevo či zdivo)
- základní (první nátěr předmětu)
- podkladové (vytvoří vrstvu mezi základním nátěrem a nátěrem finálním)
- finální (poslední, vrchní vrstva).
Běžně hovoříme o základové a vrchní barvě.
Malířské barvy
Pro povrchovou úpravu používáme směsi anorganických plniv ( kaolin,
křída), anorganických pigmentů a pojivových látek (klíh, škroby). Poměr
složek zajistí vlastnosti – nesnadná otíratelnost, jasná barevnost. Nejsnazší
je si nechat namíchat požadovaný odstín v prodejně speciálním strojem.
Tento postup zaručí stálost barvy i při opravě, není ale možné ředit (změna
odstínu). Postup je užíván i při barvení omítkových finálních směsí.
Požadovaný odstín lze kdykoli domíchat – pouze ale v určitém množství
(balení základní bílé hmotypo 15 či 25 kg).
Zásady pro používání nátěrových hmot
Podkladní plocha musí být čistá a suchá, případně odmaštěná. Páry
těkavých složek jsou zdraví škodlivé. Proto platí: nejíst, nepít, nekouřit,
dobře větrat.
Lepidla a tmely
Lepíme vše, co slepit jde. Lepidel užíváme k výrobě , jejich pomocí
opravujeme poškozené pneumatiky, oděvy, lepíme kov na dřevo a podobně.
62
Podstata každého lepení je, že látka v kapalném stavu přilne k plochám
lepených těles silou (adheze), po určité době se změní v tuhou látku.
Slepená tělesa pak drží pohromadě silou, kterou označujeme slovem koheze.
Pohybová energie molekul v pevných látkách nedokáže překonat přitažlivé
síly, zatímco v kapalinách, přitažlivé síly překoná. Přeměna kapalné látky
v látku tuhou může několik příčin:
1.) Při ochlazení kapaliny se zmenší pohybové energie molekul, místo
nepravidelného pohybu kmitají na jednom místě kolem rovnovážné polohy
– dochází k tuhnutí a tím spojení materiálů.
Toto používáme u lepidel, které musíme před použitím zahřát. Slepované
plochy potřeme taveninou, která zůstane po vychladnutí a ztuhnutí jako
pevný spoj.
2.) Ztuhnutí látky, která byla rozpuštěna v kapalině je druhý způsob lepení.
Po odpaření kapaliny ztrácí částice prostor, ve kterém se pohybovaly, mají
pevná místa lepidlo tuhne.
3.) Proces, kdy kapalné látky spolu reagují za vzniku tuhé látky.
4.) Polymerace - makromolekuly polymeru vznikají spojením mnoha
stejných molekul monomeru. Typický příklad - dvousložková lepidla.
Lepidlo je prodávané ve formě dvě oddělených kapalin, po smísení vznikne
pevná látka.Často říkáme: lepidla epoxidová (epoxid a tvrdidlo).
Rozdělení lepidel
Lepidla členíme podle jejich původu na minerální, rostlinná, živočišná a
syntetická.
Nejznámějším minerálním lepidlem je vodní sklo a asfalt. Používáme tmely,
což jsou
látky určené k zarovnávání povrchů těles. Příkladem je
vyrovnávání nerovností na autokaroserii před nástřikem barvy.
Mezi lepidla živočišného původu patří klih a kaseinová lepidla.
Běžná jsou lepidla rostlinného původu, jako jsou cukry, škroby nebo
dextriny a přírodní kaučuk. K lepení ohebných materiálů se používají
alkaprény (hlavní složka chloroprénový kaučuk).
63
Syntetická lepidla
- disperzní lepidla - polymer, rozpuštěný či rozptýlený v rozpouštědle
- termoreaktivní lepidla - makromolekula vzniká chemickou reakcí
mezi složkami lepidla
- lepidla nabázi eleastomerů.
Základní lepidla na trhu
Lepidla anorganického původu
Asfalt
Lepidla, která ho obsahují, se používají především jako tmely. Užívá se jich
např. k lepení podlahovin, k lepení lepenky, spárování spojů, opravám
střešních krytin (lepení prasklin).
Lepidla živočišného původu
Kostní klih
Výroba z kostí ( obsažený kolagen se mění na glutin (obě látky bílkovinné
povahy). Klih ve vodě bobtná, a při zahřívání s vodou se mění na koloidní
roztok. Použití: k lepení dřeva, nevydrží ale ve vlhku a plísni.
Kaseinová lepidla
Výroba úpravou mléčné bílkoviny kaseinu. Rozpustná ve studené vodě,
užívá se jich k lepení dřeva, korku hobry, sololitu.
Lepidla rostlinného původu
Lepidla škrobová a dextrinová
Jsou to směsi škrobu, dextrinu, glukózy a dalších látek. Použití: k lepení
papíru (označujeme jako kancelářská lepidla), k lepení tapet na zdivo.
Přidávají se i do barev k natírání interiérů, protože zajišťují přilnutí malířské
hlinky k omítce.
Lepidla kaučuková
Jsou to roztoky různých druhů kaučuku v organických rozpouštědlech.
Většina používaného kaučuku je syntetického původu. Ředí se benzenem,
toluenem, acetonem a dalšími ketony, případně chlorovanými uhlovodíky
(při použití musíme dobře větrat). Zajišťují pevné a pružné spojení.
Roztoky přírodního kaučuku, které obsahují minerální plniva a vulkanizační
přísady používáme k opravám pneumatik. Provádí se vulkanizace za tepla,
při které dochází k zesítění makromolekul.
Univerzálními kaučukovými lepidly jsou alkaprény. Základní složkou je
zde chloroprenový kaučuk. Rozdílný je podíl rozpouštědel, který ovlivňuje
dobu zasychání. Použití: k lepení pryže a dalších ohebných materiálů (kůží,
textilu), případně k lepení těchto látek na tuhé hmoty (sklo, kovy, zdivo).
64
Syntetická lepidla
Lepidla na bázi syntetických polymerů
Nejčastěji jde o roztoky plastů v organických rozpouštědlech. Mají
univerzální použití, především ke spojování různorodých materiálů.
Základní složkou jsou plasty (chlorovaný polyvinylchlorid, polyvinylacetát,
polystyren) rozpuštěné v acetonu, acetátech a chlorovaných rozpouštědlech.
Patří sem i roztoky derivátů celulózy. (nejznámější je Kanagon.)
Disperzní lepidla - plasty nebo jejich směsi jsou rozptýleny ve vodě –
nejsou přitom ve vodě rozpustné, takže netvoří roztok, ale disperzi Použití:
k lepení savých materiálů (dřevo, textil, i beton). Základní složkou jsou
plasty, především polyvinylacetát. Lepí tapety, podlahoviny, obkládačky a
parkety.
Lepidla na bázi syntetických pryskyřic
Skládají se z pryskyřice a tvrdidla. Tvrdidlo je látka, která reaguje
s původními makromolekulami, způsobí jejich zesítění, a tedy i zpevnění
spoje. Je nezbytné dodržet předepsaný vzájemný poměr obou složek lepidla.
Zásady lepení
1.) Lepidlo volíme podle slepovaných materiálů, používaného postupu
lepení (za studena, za tepla) a nároků kladených na spoj.
2.) Lepený povrch musí být čistý, odmaštěný a suchý, případně zdrsnění.
3.) Lepidlo používáme podle zásad stanovených výrobcem a ve stanoveném
poměru.
4.) Teplota lepidla a lepených ploch má být stejná.
5.) Používáme co nejtenčí souvislou vrstvu lepidla, nenanášíme zbytečně
mnoho.
6.) Časovou prodlevu mezi nanesením lepidla a spojením ploch nesmíme
překročit ani zkrátit.
7.) Dodržíme dobu, po kterou má lepený spoj být ponechaný v klidu,
nejlépe upevněný.
8.) Přebytečné množství lepidla kolem lepeného spoje mechanicky
odstraníme.
9.) Při ošetřování lepeného předmětu neužíváme látky, které spoj mohou
rozleptat (ředidla).
Vyjmenujte jednotlivé skupiny látek užívaných v domácnosti
k úklidu?
Které z těchto látek najdete u Vás doma a k čemu je využíváte?
Jaké druhy lepidel používáte a jaké mají složení?
Uveďte zásady při práci s lepidly!
65