Základní poznatky molekulové fyziky a termodynamiky

definice: prvek, izotop, nuklid, látkové množství, molární hmotnost

termodynamika – vědní obor zkoumající přeměny energie a tepelné děje

molekulová fyzika – zkoumá částicové složená látek, jejich pohyb, síly, které mezi nimi působí

Kinetická teorie látek

• základem tři experimentálně ověřené poznatky

1. Látky kteréhokoli skupenství se skládají s částic

• částice ( atomy, molekuly, ionty)
• prostor mezi částicemi není vyplněn, mluvíme tedy o nespojité (diskrétní) struktuře
• částice nelze pozorovat pouhým okem, používají se zobrazovací metody (elektronový mikroskop, iontový emisní projektor)

2. Částice se v látkách neustále neuspořádaně pohybují

• vykonávají posuvný, otáčivý nebo kmitavý pohyb (nebo všechny najednou)
• u tělesa, které je v klidu nepřevládá žádný směr pohybu částic, každý směr je stejně pravděpodobný
• neustálý neuspořádaný pohyb se nazývá tepelný pohyb

Difúze

Je to samovolné pronikání částic jedné látky mezi částice druhé, jsou-li tělesa z těchto látek uvedena do vzájemného styku.

• probíhá velmi rychle u plynů pomaleji u kapalin a velmi pomalu u pevných látek
• vysvětluje jí tepelný pohyb částic (příčinou je tlak v látkách)
• při vyšší teplotě rychlejší

Brownův pohyb

• nejdůležitější důkaz tepelného pohybu částic
• podle anglického botanika R. Brown, který pozoroval neustálý neuspořádaná pohyb pylových zrnek ve vodě
• pylové zrnko se nazývá Brownova částice (obsah m2)
• příčinou pohybu je narážení částic vody na zrnko

Tyto jevy a také tlak plynu a osmóza dokazují, že se částice v látkách neustále neupořádaně

pohybují.

3. Částice na sebe navzájem působí silami

• tyto síly jsou při malých vzdálenostech odpudivé a při větších přitažlivé
• původ sil je v elektrických silách
• o existenci těchto sil vypovídají jevy jako Soudržnost u pevných těles, nebo Přilnavost dvou dotýkajících se těles

Vzájemné působení částic. Potenciální energie částic

• mezi částicemi působí odpudivé a přitažlivé elektrické síly (působí na sebe elektronové obaly a jádra částic)
• důkaz: při stlačování těles cítíme odporovou sílu, naopak při prodlužování cítíme sílu, která zabraňuje dalšímu prodlužování

Graf závislosti síly mezi částicemi na vzdálenosti

1. při vzdálenosti r0 je síla působící mezi částicemi nulová, částice jsou v rovnovážné poloze (voda 0,3 nm)
2. při vzdálenosti větší než r0 je síla přitažlivá, nejdříve se její velikost zvětšuje, ale potom s rostoucí vzdáleností klesá až zanikne (každá částice je přitahována jen nejbližšími částicemi)
3. ve vzdálenosti menší než r0 působí mezi částicemi odpudivá síla, která velmi rychle roste se zmenšující se vzdáleností

Těmto silám se říká vazebné síly (chemická vazba). Tyto síly určují strukturu molekul. Proto máme molekuly dvouatomové (lineární), tříatomové (lineární, rovinné(trojú­helník)) a víceatomové (nejčastěji prostorové (jehlan), nebo rovinné) Některé organické sloučeniny obsahují tisíce až statisíce atomů.

Z existence vzájemného působení mezi částicemi také vyplývá, že soustava částic má potenciální energii.

• pro rovnovážnou polohu se tato energie nazývá vazebná
• vazebná energie je rovna práci, která by se musela vykonat k rozbití vazby

Modely struktur látek různých skupenství

• slouží k lepšímu chápaní vlastností látek a dějů v nich probíhajících

Plynná látka

• skládají se 1 nebo několika atomů, mají různé tvary a rozměry
• za normálních podmínek jsou vzdálenosti mezi molekulami přibližně 50× větší než velikosti molekul
• přitažlivé síly jsou zanedbatelné
• částice plynu konají tepelný pohyb, každý směr je stejně pravděpodobný a je ovlivněn srážkami mezi částice (srážka, částice se k sobě přiblíží natolik, že začne působit odpudivá síla a změní směr a rychlost pohybu obou částic
• částice vykonávají všechny druhy pohybu, čím větší teplota tím je větší střední rychlost částic
• , Ek je součet Ek všech částic plynu

Pevná látka

• částice jsou pravidelně uspořádané, tvoří krystalovou strukturu (amorfní nemají pravidelnou strukturu)
• střední vzdálenosti mezi částicemi jsou asi 0,2 nm, vzájemné přitažlivé síly způsobují, že pevné látky mají svůj tvar a objem (nepůsobí-li změna teploty nebo vnější síla)
• částice vykonávají kmitavý pohyb (chaoticky, výchylky jsou různé)
• výchylky od rovnovážných stavů částic se zvětšují s teplotou a jsou největší těsně před teplotou tání

Kapalná látka

• částice nejsou tak volné jako částice plynu
• střední vzdálenost molekul je asi 0,2 nm, přitažlivé síly nejsou tak silné, aby kapaliny měli svou stálý tvar, ale mají stalý objem
• působí-li na kapalinu vnější síla dějí se přesuny částic kapaliny, proto je kapalina tekutá

Rovnovážný stav soustavy

• těleso, nebo skupinu těles, kterou zkoumáme označujeme termodynamickou soustavou
• zkoumáme tzv. stavové veličiny (teplota, tlak, objem)
• při interakci soustavy dochází ke stavové změně, soustava se z počátečního stavu dostává do výsledného stavu
• při těchto stavových změnách dochází ke změnám stavových veličin

Izolovaná soustava

• soustava, v níž nemůže docházet k výměně energie ani k výměně částic z okolím
• mohou zde probíhat děje jen mezi částicemi, které patří do soustavy
• ideální případ, kterému se lze jen přiblížit (voda v termosce)

Adiabatický izolovaná soustava – nedochází zde k tepelné výměně

Každá soustava, která je od určitého okamžiku v neměnných podmínkách, přejde samovolně po určité době do rovnovážného stavu. V tomto stavu setrvává, pokud jsou zachovány neměnné podmínky.

V rovnovážném stavu zůstávají stavové veličiny konstantní. Neprobíhají skupenské přeměny, soustava je v mechanické rovnováze. Nepozorujeme makroskopické jevy.

Rovnovážný děj

• děj, při kterém prochází soustava řadou na sebe navazujících rovnovážných stavů
• reálný děj je možné považovat za rovnovážný probíhá postupuje pomalu

Skutečné děje jsou nerovnovážné děje.

Teplota a její měření

• Tělesa, která jsou při dotyku v rovnovážném stavu mají stejnou teplotu
• k měření teploty se používá vhodné srovnávací těleso – teploměr
• každý teploměr má svou teplotní stupnici a k ní přiřazenou jednotku
• nejznámější je Celsiova teplotní stupnice se dvěma základními teplotami
• mezi těmito teplotami je 100 dílků, každý odpovídá jednomu Celsiova stupni
• při měření se snažíme dostat teploměr a těleso do rovnovážné polohy, při tom předpokládáme, že původní teplota se moc nezmění, či-li teploměr udává původní teplotu
• jinak se používá např. také Fahrenheitova teplotní stupnice a zde jsou převody mezi Celsiovým stupněm a Fahrenheitovým a

Termodynamická teplota

• teplotní stupnice, která není závislá na volbě náplně teploměru
• zavedena fyzikem W. Thomasem
• jednotkou je kelvin (K), základní jednotka SI
• má jen jednu základní teplotu, je to teplota trojného bodu vody a dohodou mu byla přiřazena teplota – absolutní nula

• z pokusu s plynovým teploměrem zjistíme, že termodynamická teplota je přímo úměrná tlaku –
• definice Celsiovy stupnice pomocí termodynamické teploty , naopak převádíme
• libovolná soustava se může přiblížit teplotě 0 K (-273,15 oC), ale nemůže jí dosáhnout. Tato teplota je počáteční teplota termodynamické teploty, kinetická energie nabývá nejmenších hodnot a značně se mění vlastnosti látek (elektrická vodivost). Za nejmodernější chladící techniky se podařilo dosáhnout teploty 1mK
• termodynamická stupnice umožňuje měřit teplotu v intervalu asi 1 K do 1500 K
• Mezinárodní praktická teplotní stupnice EIPT 68 – sloučí k přesné realizaci termodynamické teploty pomocí zvolených a přesně reprodukovaných teplot, které jsou zde sepsány