Molekulová fyzika a termodynamika

Termodynamika

• – zkoumá fyzikální děje z makroskopického hlediska, nebereme v úvahu částicové složení látek
• – zkoumá vlastnosti látek v závislosti na jejich složení(mikroskopické hledisko)

Molekulová(statistická) fyzika

Kinetická teorie látek

1. látky se skládají z částic(atomů,molekul,iontů…)

důkaz:       mikroskop

2. částice v látce se neustále neuspořádaně pohybují(=tepelný pohyb)

• – je-li těleso v klidu mezi částicemi nepřevládá žádný z pohybů(otáčivý, posuvný, kmitavý), v pohybu převláda pohyb ve směru pohybu tělesa

důkaz:       Brownův pohyb – neustálý chaotický pohyb mikroskopických částic, př.: pil na vodní         hladině, bude se chaoticky pohybovat, tento pohyb je způsoben neustálým chaotickým narážením částic vody do zrnek pilu

difůze – samovolné pronikání částic jedné látky mezi částice druhé, př.: rozstříknutí voňavky po místnosti

                  osmóza – difůze vody polopropustnou biologickou membránou

tlak plynu – chaotický se pohybující molekuly plynu narážejí do nádoby

3. částice na sebe navzájem působí silami, velikost sil závisí na vzdálenosti

důkaz:       soudržnost látek

                  přilnavost 2 těles

Rovnovážná poloha

• – poloha, při které na sebe dvě částice navzájem působí nulovou silou, částice kolem ní kmitají(důsledek drobných výkyvů sil,kterými na sebe působí)
• – při zvětšování vzdálenosti dvou částic mezi nimi působí přitažlivá síla(nejdřív se zvětšuje, poté prudce zmenšuje -> každá částice je ovlivňována pouze částicemi v jejím nejbližším okolí)
• – při zmenšování vzdálenosti dvou částic mezi nimi působí odpudivá síla(její velikost prudce roste)

• Vazebná energie

• – potenciální energie částic v rovnovážné poloze

• Pevná látka

• – střední vzdálenosti částic jsou mále, proto mezi nimi působí přitažlivé síly a to způsobuje,že daná pevná látka má určitý tvar a objem
• – amplituda kmitání kolem rovnovážné polohy se s rostoucí teplotou zvyšuje až se částice dostanou do střední vzdálenosti odpovídající kapalinám, kde přitažlivé síly, které na ně působí jsou menší(stejně velké jako u kapalin) – tání
• – E_p > E_k

• Kapalina

• – střední vzdálenosti částic nejsou tak velké jako u plynu, zároveň přitažlivé síly mezi částicemi nejsou tak velké jako u pevných látek, proto částice nemají stálou rovnovážnou polohu – rovnovážné polohy částic se s časem mění
• – E_p = E_k

• Plyn

• – střední vzdálenost částic je mnohonásobně větší ve srovnání s velikostí částic
• – přitažlivé síly mezi 2 částicemi jsou zanedbatelné -> částice se pohybují tepelným pohybem a dochází mezi nimi ke srážkám

         srážka – přiblížení částice k jiné částici na vzdálenost, kdy působí odpudivá síla, která změní rychlost  částice (směr i velikost)

• – E_p < E_k

•  Plazma

• – jádra oddělená od atomu za vysokých teplot
• – př.: blesk, polární záře

• Termodynamická soustava

• -těleso nebo skupina těles, kterou zkoumáme

1. izolovaná – nedochází k výměně částic ani energie(součet Ek,Ep a U = konstata – zákon zachování energie)
2. uzavřená – nedochází k výměně částic(energie ano)
3. otevřená – dochází k výměně částic i energie
4. adiabatická – nedochází k výměně tepla

Rovnovážný stav

• – je stav, do kterého soustava samovolně přechází, pokud dochází k výměně částic nebo energie s neměnným vnějším prostředím(mrznutí vody v mražáku)
• – nemění se hodnoty stavových veličin soustavy

•  Teplota

• – charakterizuje termodynamický stav tělesa
• – všechna tělesa tvořící termodynamickou soustavu v rovnovážném stavu mají stejnou teplotu

Teplotní stupnice

1. Celsiova – jednotka je stupeň Celsia, který se stejně velký jako kelvin

• – určují ji dvě základní teploty – 0 stupňů(273,15 K) – teplota tání ledu za standardních podmínek a 100 stupňů – teplota varu vody za standardních podmínek
• – značí se t

2. Termodynamická teplotní stupnice – jednotka je 1 kelvin – teplota, která odpovídá 1/273,16 termodynamické teploty trojného bodu vody

– určena pouze 1 základní teplotou – 273,16 k – trojný bod vody – stav,kdy jsou v izolované soustavě v rovnovážném stavu všechna tři skupenství vody – pára,led i kapalné skupenství

– počátek je 0 k – absolutní nula, nejnižší možná teplota(-> TT stupnice nemá záporné hodnoty)

– teplota se měří teploměry

Teploměr

• – srovnávací těleso, pomocí něhož měříme teplotu soustavy
• – měří pomocí závislosti vlastnosti látky ze které teploměr je na teplotě
• – př.: zvětšení objemu kapaliny při zvýšení teploty – kapalinový(rtuťový) teploměr

závislost tlaku plynů na teplotě při stálém objemu – plynové teploměry

závislost odporu vodiče(polovodiče na teplotě) – odporové teploměry

Vnitřní energie

• – součet celkové E_k neuspořádaně se pohybujících části a celkové E_p částic

• Změna vnitřní energie

• – může nastat při tepelné výměně nebo při konání práce

• Tepelná výměna

• – předávání vnitřní energie při kterém se nekoná práce, teplejší těleso předává energii tělesu studenějšímu
• – platí zákon zachování energie -> úbytek vnitřní energie tělesa s vyšší teplotou = přírustek vnitřní energie tělesa s nizší teplotou

• Teplo

• – energie, která přešla mězi 2 tělesy při tepelné výměně
• – Q > 0 – těleso příjmulo teplo, Q < 0 – těleso teplo odevzdalo
• – [Q] = J

• Tepelná kapacita

• – množství tepla potřebné ke zvýšení teploty o 1^o
• – [C]= J.K^-1

• Měrná tepelná kapacita

• – množství tepla potřebné ke zvýšení teploty 1 kg látky o 1^o
• – [c]= J.K^-1.kg^-1
• – pro různé látky různá, najdeme v MFChT
• – čím větší, tím větší teplo je třeba dodat k ohařání(voda vysoké c -> vhodná k přenosu E, jako chladící kapalina, kovy relat. nízké c -> jednoduše zpracovatelné)

• Kalorimetr

• – zařízení sloužící k simulaci tepelné výměny, tepelně izolovaná nádoba s teploměrem

• Kalorimetrická rovnice

• – nalijeme do kalorimetru kapalinu a do ní umístíme těleso s vyšší teplotou, kapalina příjme od teplešího tělesa teplo(nesmí spolu chem. reagovat), aby se celá soustavama dostala do rovnovážného stavu
• – zákon zachováné energie říká, že i izolované soustavě se úbytek energie jednoho tělesa musí rovnat přírůstku energie tělesa druhého ->

– výsledná teplota soustavy

– teplota tělesa, které teplo příjme

– teplota tělesa které teplo poskytne

Konání práce

• – př.:

1. stlačování plynů – zmenšíme stěny nádoby -> částice se od nich budou odrážet rychleji -> zvýšení U
2. tření – částice u styčných ploch do sebe vzájemně naráží -> rozkmitají se rychleji -> zvýšení U

1.Termodynamický zákon

– změna vnitřtní energie se rovná součtu práce soustavou/na soustavě vykonané a tepla, které soustava příjme/odevzdá

> 0 – těleso příjmá energii

< 0 – těleso odevzdává energii

• – analogicky platí i pro Q a W

W = 0 – přenos energie tepelnou výměnou -> – izochorický děj

Q = 0 – přenost energie konáním práce – > – adiabatický děj

Přenost vnitřtní energie

1. vedením – probíhá nejčastěji u 2 pevných látek, musí být v přímém styku

• – částice teplejšího tělesa předávájí část své energie studenějšímu, aby soustava dosáhla rovnovážného stavu
• – př.: lžyčka v horkém čaji
• – látky, které dobře vedou teplo – tepelné vodiče(kovy-na dotek studené, protože rychle rozvedou teplo, které jim dodáme), látky vedoucí teplo špatně – tepelné izolanty

2. zářením – dochází k němu skrze elektromagnetické záření(jedno těleso ho vysílá,druhé příjmá)

• – probíhá i ve vakuu
• – př.: infračervené záření, fotoelektrický jev, Rentgenovo záření

3. prouděním – ohříváním kapalin či plynů snižujeme jejich hustotu -> stoupají v tíhovém poli země – dochází k proudění, při kterém se přenáší vnitřní energie

• – př.: vzduchu – teplý stoupá vzhůru a studený dolů