ZÁKLADNÍ POZNATKY MOLEKULOVÉ FYZIKY A TERMIKY Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - 2. ročník - Molekulová fyzika a termika
Částicová struktura látek Látky jakéhokoli skupenství se skládají z částic Částicemi jsou atomy, molekuly, ionty Látka má nespojitou ( diskrétní ) strukturu Tyto částice nejsou pozorovatelné běžným okem K jejich pozorování se používá moderní zobrazovací technika elektronový mikroskop, rastrovací tunelový mikroskop
Jak velký je atom? Atom je tisíckrát menší než zrnko hladké mouky Atom je v poměru k jablku tak malý jako jablko k planetě Zemi
Jak velký je atom? Pohled na atomy křemíku elektronovým mikroskopem
Kinetická teorie částic Částice se v látkách neustále a neuspořádaně ( chaoticky ) pohybují Částice mohou vykonávat pohyb posuvný, otáčivý či kmitavý Všechny směry rychlostí částic jsou stejně pravděpodobné Neustálý a neuspořádaný pohyb částic v látkách se nazývá tepelný pohyb
Difúze Pokud máme dvě různé kapaliny nebo dva plyny oddělené, postupem času dojde k jejich promísení Molekuly jedné látky pronikají mezi molekuly druhé látky Tomuto ději se říká difúze Tento děj probíhá u plynných a kapalných látek, ale také u pevných látek na jejich dotyku Je důsledkem tepelného pohybu částic
Difúze Speciálním případem difúze je tzv. osmóza V tomto případě jsou dvě tekutiny odděleny polopropustnou membránou
Brownův pohyb Pokud jsou v tekutině (kapalině nebo plynu) rozptýleny malé pevné částečky, neustále se pohybují. Tento pohyb je způsoben nárazy molekul tekutiny. Tomuto neustálému pohybu se říká Brownův pohyb
Brownův pohyb
Důsledek pohybu částic
Difúze, osmóza, tlak plynu a Brownův pohyb dokazují, že částice v látkách vykonávají tepelný pohyb. Neuspořádanost pohybu se projevuje různými směry a velikostmi rychlosti částic. S rostoucí teplotou látky se zvětšuje rychlost částic.
Vzájemné působení částic Částice na sebe navzájem působí silami. Tyto síly jsou při malých vzdálenostech odpudivé, při větších vzdálenostech přitažlivé. Síly mají svůj původ v elektrických silách. Důsledky této vlastnosti můžeme sledovat např. jako soudržnost mezi částicemi tělesa, přilnavost dvou povrchů, ... Přilnavost vs. soudržnost
Vzájemné působení částic Vzájemné působení všech částic je komplikované, řídí se zákony mikrosvěta - proto problém zjednodušíme na vzájemné působení dvou částic - tzv. interakci Výsledná interakce vychází z teoretických úvah Tato interakce je analogická stlačování a natahování tělesa
Vzájemné působení částic F
odpudivá síla
vzájemná interakce r0
r
přitažlivá síla
Vzájemné působení částic Při zcela určité vzdálenosti r0 mezi částicemi je síla, kterou na sebe částice působí, nulová. Obě částice jsou navzájem v rovnovážné poloze. Při velké vzdálenosti dvou částic je přitažlivá síla zanedbatelně malá, částice na sebe již nepůsobí. Každá částice je tedy přitahována jen částicemi z jejího nejbližšího okolí. Odpudivá síla při vzdálenostech menších než r0 roste velmi rychle.
Vzájemné působení částic Z existence vzájemného působení vyplývá, že soustava částic má vnitřní potenciální energii. Pro rovnovážnou polohu částic se tato energie nazývá vazebná energie. Vazebná energie je rovna práci, kterou by bylo třeba vykonat působením vnějších sil, aby došlo k rozrušení vazby mezi částicemi.
Vzájemné působení částic Vazebná energie určuje strukturu molekul, vzájemnou polohu částic.
Plynná látka jedno, dvou a víceatomové molekuly velké střední vzdálenosti molekul - přitažlivé síly zanedbatelné molekuly vykonávají tepelný pohyb (chaotický, různě velkými rychlostmi) všechny směry pohybu jsou stejně pravděpodobné “srážky molekul” – molekuly se přiblíží a odpudivá síla změní jejich směr pohybu
Plynná látka čím vyšší teplota, tím vyšší střední rychlost molekul rotační pohyb víceatomových molekul kmitání atomů v jednotlivých molekulách energie: kinetická energie molekul je velká (posuvný pohyb + rotační + kmitání atomů v molekulách) potenciální energie je značně menší vzhledem ke vzdálenostem
Kapalná látka molekuly nejsou tak pohyblivé jako u plynu navzájem se přitahují působení není tak silné, aby byly molekuly vázány do stále stejné rovnovážné polohy molekuly kmitají okolo rovnovážné polohy, která se časem mění působí-li na kapalinu vnější síla – přesuny molekul jsou ve směru působení vnější síly - tzv. tekutost kapaliny potenciální i kinetická energie částic je srovnatelná
Pevná látka působí přitažlivé síly mezi částicemi utvářející těleso do určitého tvaru a objemu bez vnějších vlivů (teplota, síly ...) zůstává tvar i objem zachován částice kmitají okolo stálých rovnovážných poloh výchylky se s rostoucí teplotou zvětšují celková potenciální energie částic je větší než celková kinetická energie
Pevná látka pravidelné uspořádání částic – krystalová struktura amorfní látky – nepravidelná struktura (sklo, vosk, pryskyřice)
Plazma soustava elektricky nabitých částic a neutrálních částic při vysoké teplotě jen volná jádra a elektrony jeho chování lze ovlivnit elektrickým a magnetickým polem plamen, blesk, hvězdy...
Kvark-gluonové plazma dosahuje se jej při velmi vysokých teplotách kvarky a gluony se začínají chovat jako částice v takovýchto podmínkách přestává dávat smysl mluvit o prvcích, ze kterých je látka složena Poprvé pozorováno v 90. letech 20. století v urychlovačích
Rovnovážný stav soustavy Zkoumáme tělesa, která se obecně nalézají v různých stavech: různá teplota, tlak, objem, skupenství, uspořádání částic, ... Pro těleso nebo skupinu zkoumaných těles používáme pojem termodynamická soustava Veličiny charakterizující stav soustavy nazýváme stavové Při interakci s okolím pak dochází k tzv. stavové změně - mění se stavové veličiny
Rovnovážný stav soustavy Izolovaná soustava - soustava, v níž nedochází k výměně energie ani částic s okolím V izolované soustavě probíhají jen děje mezi částicemi, které tuto soustavu tvoří Adiabaticky izolovaná soustava je soustava, u které nedochází k tepelné výměně s okolím
Rovnovážný stav soustavy Zkušenost ukazuje, že každá soustava, která je od určitého okamžiku v neměnných vnějších podmínkách, přejde samovolně po určité době do stavu, v němž zůstávají stavové veličiny konstantní. Tento stav se nazývá rovnovážný stav. V tomto stavu soustava setrvává, pokud zůstanou tyto podmínky zachovány. Uvnitř soustavy probíhají neustále mikroskopické děje Probíhá-li děj tak, že soustava při tomto ději prochází řadou rovnovážných dějů, tento děj se nazývá rovnovážný děj Skutečné děje jsou však nerovnovážné děje
Rovnovážný stav soustavy Rovnovážný stav plynu je při stálých vnějších podmínkách stavem s největší pravděpodobností výskytu
Teplota a její měření Tělesům, která jsou při vzájemném dotyku v rovnovážném stavu, přiřazujeme stejnou teplotu Měřidla teploty: teploměry - využití změn vlastností látek v závislosti na jejich teplotě kapalinové - rtuťový (-30°C - 300°C), etanolový plynové, odporové, bimetalické pyrometry – radiační teploměr
Teplota a její měření K tělesu, které vybereme za teploměr, musíme sestrojit teplotní stupnici a stanovit jednotky teploty. Rozlišujeme několik teplotních stupnic: Celsiova teplota Termodynamická teplota ( Kelvinova teplota ) Fahrenheitova teplota Rankinova, Reamurova, Newtonova, Roemerova, ...
Termodynamická teplota Základní jednotkou je Kelvin ( 1 K ) Kelvin – základní jednotka soustavy SI Kelvin je 1/273,16 termodynamické teploty trojného bodu vody Termodynamická teplota se značí T Převodní vztah mezi Celsiovou a termodynamickou teplotou: t = ( {T} - 273,15 )°C
T = ( {t} + 273,15 ) K
Termodynamická teplota
Z definičního vztahu mezi teplotami vyplývá: ∆t = ∆T Termodynamická teplota T = 0 K je počátkem termodynamické teplotní stupnice ( této hodnoty však nelze dosáhnout )
Princip plynového teploměru h hr
Tr = 273,16 K pr = pa + !ghr
T =?K p = pa + !gh
T p Tr = !T = p Tr pr pr
Fahrenheitova stupnice Používá se zejména v USA Značíme ji řeckým písmenem theta: ϑ Jednotkou je stupeň Fahrenheita ( 1°F ) Převodní vztah mezi Celsiovou a Fahrenheitovou teplotou:
5 t = ({ϑ } − 32 ) °C 9
⎛ 9 ⎞ ϑ = ⎜ {t } + 32 ⎟ °F ⎝ 5 ⎠
