19 MOLEKULOVÁ FYZIKA A TERMODYNAMIKA
19.1 FYZIKÁLNÍ VELIČINY
Klidová hmotnost:
Atomová hmotnostní konstanta: = klidové hmotnosti
Relativní atomová hmotnost: , kde ma je klidová hmotnost atomu.
Relativní molekulová hmotnost: , kde mm je klidová hmotnost molekuly.
Avogadrova konstanta: – udává počet atomů ve 12 g , nebo počet částic v tělese o látkovém množství 1 mol.
Látkové množství: , kde N je počet částic v daném tělese.
Molární hmotnost:
Molární objem:
Objem 1 molu plynu:
Hmotnost jedné částice: nebo
Objem jedné částice:
19.2 KINETICKÁ TEORIE LÁTEK
1) Každá látka se skládá z částic (atomů, molekul, iontů). Prostor, který těleso z dané látky zaujímá není vyplněn beze zbytku – nespojitá struktura.
2) Částice se v látkách neustále a neuspořádaně pohybují. U pohybu částic nepřevládá žádný směr, ani velikost rychlosti. S rostoucí teplotou se rychlost částic zvětšuje.
Difúze – samovolné pronikání částic jedné látky mezi částice látky druhé.
Osmóza – jev podobný difúzi při němž jsou kapaliny odděleny polopropustnou přepážkou.
Brownův pohyb – projev tepelného pohybu částic v látce.
3) Částice na sebe vzájemně působí silami, ty jsou při malých vzdálenostech odpudivé, při větších jsou přitažlivé. Při vzdálenosti r0 je síla, kterou na sebe částice působí 0 (vodík – 0,074 nm, uhlík – 0,155 nm). Při velké vzdálenosti mezi částicemi je tato síla zanedbatelně malá. Síly, kterými na sebe působí atomy v molekule jsou vazebné síly a určují strukturu molekul. Vazebná energie je rovna práci, kterou by bylo třeba vykonat působením vnějších sil k rozrušení vazby mezi částicemi.
19.3 MODELY STRUKTUR LÁTEK
19.3.1 Plynná látka
Přitažlivé síly mezi částicemi jsou zanedbatelně malé, vzhledem k velké vzdálenosti mezi částicemi (vodík – 3 nm). Pohyb molekul je přímočarý, rychlost je přímo úměrná teplotě. Pohyb molekul je posuvný, u víceatomových molekul též rotační a kmitavý.
19.3.2 Pevná látka
Pevné látky se dělí na krystalické (pravidelné krystalické uspořádání) a amorfní (asfalt, vosk). Krystalická pevná látka má pravidelné uspořádání částic (vzdálenosti mezi částicemi jsou 0,2–0,3 nm). Vzájemné silové působení mezi částicemi je velké. Tělesa z pevné látky mají určitý tvar a objem, který je při stálé teplotě a bez působení vnějších sil stálý. Částice mají svou rovnovážnou polohu, kolem níž chaoticky kmitají. Okamžitá výchylka závisí na teplotě, jestliže se teplota blíží teplotě tání, jsou výchylky maximální.
19.3.3 Kapalná látka
Střední vzdálenost mezi molekulami je 0,2 nm. Vzájemné silové působení mezi částicemi je větší než u plynů, ale menší než u pevné látky. Molekuly kmitají kolem rovnovážných poloh, které se s časem mění. Při působení vnější síly na kapalinu se přesuny molekul dějí ve směru působení síly (tekutost kapaliny).
19.3.4 Plazma
Soustava iontů, volných elektronů a neutrálních částic. Při hodně vysoké teplotě je složena jen ze samostatných jader a elektronů. Např. plamen, blesk, nitra hvězd nebo při silném výboji v plynu.
19.4 ROVNOVÁŽNÝ STAV SOUSTAVY
Zkoumaná tělesa tvoří termodynamickou soustavu. Soustavu charakterizují stavové veličiny (teplota, tlak, objem, …). V izolované soustavě nedochází k výměně energie ani částic mezi soustavou a okolím.
Každá soustava přejde samovolně do rovnovážného stavu (stavové veličiny jsou konstantní), v němž setrvá, pokud zůstanou zachovány vnější podmínky.
Rovnovážný děj je řada na sebe navazujících rovnovážných stavů.
19.5 TEPLOTA A JEJÍ MĚŘENÍ
Teplotu měříme teploměrem (musí mít nulovou tepelnou kapacitu, většinou založen na změně objemu). Např. rtuťový teploměr (od –30° do 300°C), etanolový teploměr (–110° až 70°C), plynový, bimetalový, odporový, termoelektrický …
19.5.1 Teplotní stupnice
Celsiova teplotní stupnice ( ): Má dva základní body – rovnovážný stav soustavy led+voda (0°) a rovnovážný stav soustavy voda+sytá vodní pára (100°).
Termodynamická stupnice ( ): Je nezávislá na náplni teploměru. Má jeden základní bod – trojný bod – rovnovážný stav led+voda+sytá vodní pára (273,16 K). 1 kelvin je termodynamické teploty trojného bodu vody. Nejnižší teplota je 0 K – nelze ji dosáhnout.
Převod mezi stupnicemi: ,
Plynový teploměr
Tvořen nádobou naplněnou plynem spojenou trubicí s otevřeným kapalinovým manometrem. Jedno rameno manometru je volně pohyblivé ve svislém směru, aby se udržoval stálý objem plynu.
, a proto , kde pr je tlak a Tr je teplota trojného bodu vody.
Plynový teploměr má rozsah od 1 do 1500 K.
19.6 VNITŘNÍ ENERGIE TĚLESA
Vnitřní energie (U) je tvořena celkovou kinetickou energií neuspořádaně se pohybujících se částic a celkové potenciální energie vzájemných poloh těchto částic.
Vnitřní energii tělesa změníme konáním práce (stlačení, roztažení, …) nebo tepelnou výměnou (částice teplejšího tělesa narážejí na částice studenějšího a předávají jim část své kinetické energie).
Platí zákon zachování energie: celková vnitřní energie izolované soustavy zůstává konstantní.
, U odevzdaná teplejším tělesem se rovná U přijatá chladnějším, což se rovná předanému teplu.
19.7 TEPELNÁ KAPACITA
– množství tepla potřebné ke zvýšení teploty tělesa o 1 K.
Měrná tepelná kapacita: – množství tepla na ohřátí 1 kg o 1 K.
Teplo:
Měrná tepelná kapacita je charakteristická pro každou látku (voda – 4180 Jkg–1K–1, kovy – malá).
19.8 I. TERMODYNAMICKÝ ZÁKON
Přírůstek vnitřní energie soustavy je roven součtu práce vykonané okolními tělesy působící na soustavu a tepla odevzdaného okolními tělesy soustavě.
Teplo odevzdané soustavou okolním tělesům a práce vykonaná soustavou jsou veličiny záporné.
Upravený tvar I. termodynamického zákona: , kde W‘ je práce vykonaná soustavou.
19.9 KALORIMETR
Kalorimetr je tepelně izolovaná nádoba s míchačkou a teploměrem. V průběhu tepelné výměny v kalorimetru se mění i teplota kalorimetru, míchačky a teploměru.
Kalorimetrická rovnice: – teplo odevzdané je rovno teplu přijatému.
Upravená rovnice: , kde Ck je tepelná kapacita kalorimetru.
19.10 PŘENOS VNITŘNÍ ENERGIE
19.10.1 Vedením
Energie přechází uvnitř tělesa z míst s vyšší teplotou do míst s nižší teplotou. V kovech pomocí elektronů, v nekovech pomocí částic, které svým kmitáním předávají část své energie dalším částicím. Největší tepelnou vodivost mají kovy a plyny.
19.10.2 Zářením
Vyzařováním a pohlcováním tepelného záření. Vnitřní energie tělesa, které vysílá záření, se zmenší o vyzářenou energii. Při dopadu záření na těleso se část energie odrazí, část prochází a část se pohltí a vnitřní energie se zvětší o pohlcenou energii záření.
19.10.3 Prouděním
Při zahřívání kapaliny v tíhovém poli zdola. Chladnější kapalina má větší hustotu a klesá dolů a vytlačuje teplejší kapalinu nahoru. Proudící kapalina přenáší energii z teplejších míst do chladnějších.
