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
⎠
Download

prezentace - Fyzika GJVJ