Základné poznatky molekulovej fyziky

Molekulová fyzika a termika

• študujú vlastnosti látok

Termika (Termodynamika) sa zaoberá meraním teploty a tepla a tepelnými deji

Molekulová fyzika sa zaoberá silami medzi časticami a štruktúrou látok.

Vlastnosti látok pozorujeme:

1. Termodynamicky - z makroskopického hľadiska, neberieme do úvahy časticovej zloženie látok. Pracujeme s veličinami, ktoré možno zmerať alebo odvodiť.

2. Štatisticky - z hľadiska mikrosveta - každé teleso sa skúma ako súbor neustále sa pohybujúcich častíc. Zákony, ku ktorým sa dospeje, majú štatistický charakter.

Skúmané teleso alebo sústavu telies nazývame termodynamická sústava.

Kinetická teória látok

1) Látky všetkých skupenstvo sa skladajú z častíc (atómov, molekúl, iónov) s rozmermi rádovo 10 ^-10 m. Štruktúra látky je teda diskontinuitné.

** **

2) Častice sa v látkach neustále a neusporiadane (chaoticky) pohybujú = tepelný pohyb

Pokiaľ je teleso v pokoji, neprevláda žiadny smer. Pokiaľ je teleso v pohybe, pohybujú sa aj všetkými smermi, ale prevláda pohyb v smere pohybu celého telesa.

Tepelný pohyb potvrdzuje:

difúzie (samovoľné prenikanie častíc jednej látky medzi častice druhej látky, ak sú telesá z týchto látok uvedená do vzájomného styku - šírenie vône, ale aj zápachu, rozpúšťanie cukru)

tlak plynu (spôsobený zrážkami molekúl plynu s časticami steny nádoby)

Brownov pohyb (keď nasypeme zrnká peľu na vodnú hladinu, budú sa po nej neusporiadane pohybovať - spôsobené nárazy molekúl vody na zrnká). Pretože sa častice pohybujú, majú kinetickú energiu. ****

** **

3) Častice na seba navzájom pôsobia príťažlivými a odpudivými silami. Veľkosť týchto síl závisí od vzdialenosti medzi časticami.

Keď sa k sebe približujú dva atómy, elektrickou silou na seba pôsobia kladne nabité jadrá a záporne nabité obaly. Medzi atómy na seba zároveň pôsobí gravitačnej sily. Sila, ktorú na seba pôsobia, je pri malých vzdialenostiach odpudivá, pri väčších je príťažlivá.

** **

r> r ₀ - príťažlivá sila, spočiatku rýchlo rastie, potom dosiahne maximum as rastúcou vzdialenosťou sa zmenšuje

r <r ₀ - odpudivá sila, spočiatku rýchlo rastie, potom dosiahne na tzv. potencionálne val = hranica priblíženie molekúl = polomer molekuly 10 ^-10 m. Dotknúť sa môžu len za teploty okolo 10 ⁶ K.

rovnovážna poloha - častice sú vo vzdialenosti r ₀ a veľkosť sily, ktorú na seba pôsobia, je nulová, okolo nej kmitajú.

Pri veľkej vzdialenosti je sila už zanedbateľne malá. Každá častica je priťahovaná len najbližšími časticami vo svojom okolí - pre kvapaliny sa príťažlivé pôsobenie prejavuje asi do vzdialenosti 1 nm, pričom r ₀ vody je 0,3 nm.

Energia, ktorú má častica kvôli svojej polohe voči susednej pre pôsobiacu silu, je potenciálna energia.

Pevné látky: častice kmitajú málo, preto majú malú kinetickú energiu a pri malom vychýlení získajú veľkú potenciálnu energiu => E _p >> E _k.

Kvapaliny: častice kmitajú viac, ale nemôžu sa veľa vzdialiť z týchto rovnovážnych polôh => E _p> E _k.

Plyny: častíc plynu už sa nemusí uvažovať s rovnovážnou polohou, pretože sa pohybujú vo veľkých vzdialenostiach od ostatných častíc a veľkou rýchlosťou => E _p << E _k.

Celková energia telesa (sústavy) je súčet jej mechanické a vnútornej energie. Celková energia sústavy sa nemení. Straty spôsobené trením sú spôsobené premenou mechanickej energie na vnútornú energiu.

stavy sústav

Teleso alebo termodynamická sústava sa môže nachádzať v rôznych stavoch

stavové veličiny: teplota T [K], tlak p [Ps], objem V [m 3]. **

izolovaná sústava = medzi sústavou a okolím nedochádza k výmene energie ani výmene častíc

termodynamický dej = stavová zmena = dochádza k stavovej zmene sústavy (konaním práce alebo tepelnou výmenou)

Každá sústava, ktorá je od určitého okamihu v nemenných vonkajších podmienkach, prejde samovoľne po určitej dobe do rovnovážneho stavu. V tomto stave zotrváva, pokiaľ zostanú tieto podmienky zachované. Pri rovnovážnom stave sa nemení hodnoty stavových veličín.

Všetky telesá, ktoré tvoria rovnovážnu sústavu, majú rovnakú teplotu.

Keď napríklad vložíme do mrazničky vodu, podmienky v mrazničke sa nemení. Voda prechádza do rovnovážneho stavu pre podmienky v mrazničke, a za stavu v chladničke sa voda vyskytuje v skupenstve pevnom - ľadu. Po zmrznutí vody a ochladenie ľadu na teplotu okolia sa už stav ľadu nemení - ľad môže v mrazničke zostať napríklad pol roka a nijako sa nezmení. Ale keď otvoríme mrazničku, zmení sa vonkajšie podmienky, a zmení sa aj rovnovážny stav ľadu - môže roztopiť.

teplota

= Fyzikálna veličina, ktorá charakterizuje termodynamický stav telesa.

Termodynamická teplota T je jednou zo základných veličín sústavy SI. [T] = K (kelvin);

0,1 C = 273, 15 K => 0 K (-273,16 C) je teplota absolútnej nuly (nemôže nikdy nastať, možno sa k nej len priblížiť) ****

• kelvin je definovaný podľa trojného bodu vody = 273,16 K a nenadobúda záporných hodnôt.

definícia: 1 K je teplota, ktorá zodpovedá 1 / 273,16 termodynamickej teploty trojitého bodu vody.

V praxi sa stretávame s Teplota Celzia t. Jednotka ° C (stupeň Celzia) má rovnakú veľkosť ako kelvin, ale 0 ° C zodpovedá 273,15 K. 0 ° C je teplota topenia ľadu za normálneho tlaku 1013,25 hPa, 100 ° C je teplota varu vody pri normálnom tlaku.

Zmena teploty je rovnaká v oboch stupniciach. ΔT = Δt

teplomer

• slúži na meranie teploty, je to porovnávacie teleso, u ktorého poznáme jeho vlastnosti v závislosti na teplote (objem kvapaliny - liehový, ortuťový teplomer; tlak plynu pri stálom objeme - plynový teplomer → najpresnejšie, má veľký rozsah (kvapaliny len od teploty topenia po teplotu varu); zmena dĺžky v závislosti na teplote - bimetalový teplomer; odpor - odporový teplomer; pri veľmi vysokých teplotách sa využíva žiarenie látky - pyrometer). Pri meraní teploty je teplomer v rovnovážnom stave s telesom, ktorého teplotu meriame, preto musíme čakať, než sa dostane do rovnovážneho stavu.

---

vnútornej energie

• definícia vyššie: Vnútorná energia telesa je priamo úmerná jeho termodynamickej teplote.

• značí sa U, platí zákon o zachovaní energie

U = E p + E k - nie je v tab, ale je logický

** **

Keď prebieha termodynamický dej, má sústava na jeho počiatku vnútornú energiu U _1, pri konečnom stave vnútornú energiu U _2; dej charakterizuje zmena vnútornej energie sústavy DU = U ₂ - U _1. ****

Zmena vnútornej energie:

1) Konaním práce - Prácu W môže konať teleso pôsobiace na sústavu (W> 0 → práce sa dodáva sústave) - piest stlačí plyn, alebo prácu vykonáva sústava (W <0 → práce sa sústave odoberá) - piest sa posunie rozpínaním plynu.

Pr. 49/1:

F = 20N

s = 0.7 m

delta U = 10 F s = 10 * 20 * 0.7 = 140 J

delta U = mgh [J]

2) Tepelné výmene = odovzdávanie vnútornej energie, bez toho aby sa konala práca. Teleso s vyššou teplotou odovzdáva energiu telesu s nižšou teplotou.

K tepelnej výmene môže dôjsť:

1. Vedením - tepelné vodiče - pevné látky, ktoré vedú tepelnú energiu - častice sa postupne rozkmitávajú (hrniec, kovy)

Výbornú tepelnú vodivosť majú kovy, preto keď sa dotkneme kovového telesa, javí sa nám studené - teplo, ktoré mu dodáme, je rýchlo odvedené od celého telesa; opak - drevená stolička. Veľmi zlú tepelnú vodivosť má voda a plyny (tiež sypké a pórovité látky, ktoré majú vo vnútri vzduch - perie, tkaniny, suché drevo, tehly, sklená vata - použitia v stavebníctve). Látky zle vodivé teplo sa nazývajú tepelné izolanty (plyn. V oknách, sveter)

2. Prúdením - Dôjde k nemu, zahrievame ak kvapalinu alebo plyn zdola. Teplejšie kvapalina má menšiu hustotu, preto stúpa nahor a prenáša teplo do chladnejších miest. Tohto sa využíva najviac u varenia.

3. Žiarením - svetlo môže odovzdať časť svojej energie látke, na ktorú dopadne. Najviac energie prijme matné, čierne teleso. Najmenej lesklé predmety

Keď dané teleso teplo prijme → Q> 0, keď teplo odovzdá → Q <0.

Veľkosť prijatého či odobratého tepla je priamo úmerná hmotnosti telesa m a zmene teploty telesa D t, ak sa nemení skupenstvo látky.

Množstvo tepla, ktoré sa musí danému telesu dodať, aby sa jeho teplota zväčšila o 1 K, je jeho tepelná kapacita C. [J × K ^-1]. (Verzia bez m nie je v tab)

voda: c = 4180 J kg ^-1 K ^-1

meď: c = 890 J kg ^-1 K ^-1

** **

Z toho vyvodíme:

Teplo Q, ktoré sa musia dodať telesu s hmotnosťou m z látky s mernou tepelnej kapacite c, aby sa ohrialo o teplotu Δ t

** **

Merná tepelná kapacita závisí na látke. Mernej tepelnej kapacity rôznych látok sú v tab. str. 131, 152.

---

kalorimetrická rovnica

• vyjadruje zákon zachovania energie pri tepelnej výmene. Telesa na konci deje dosiahnu rovnovážny stav, tzn. majú rovnakú teplotu

[ images/img/fy­zika/28/img4.png *] *

(V tab navyše započítaná C - kapacita kalorimetra)

t _2> t ₁ - počiatočné teploty telies; t je výsledná teplota; ľavá strana patrí chlad. telesu

Pr. : Mosadzné teleso s hmotnosťou 400g a teplote 90 C vložíme do vody s hmotnosťou 600g a teplote 20 C.

c1 = 4180 J kg ^ -1K -1

c2 = 387 J kg -1 K -1

4180 * 0.6 (t - 20) = 387 * 0.4 (90 - t)

2662.8 t = 64 092

t = 24 C

Kalorimeter = prístroj na meranie tepla. umožňuje pokusne vykonávať tepelnú výmenu medzi telesami a merať teplotu. Izoluje okolia s kvapalinou vnútri. (Termoska)

• 2 do seba vložené nádobky, izolant medzi stenami, veko - vkladá sa teplomer

kapacita kalorimetra: ck = (m2c2 (t2 - t) - m1c1 (t - t1)) / (t - t1) ß vyjadrenie C z tab

Prvý termodynamický zákon

T eplotní rozťažnosť

Nielen plyny, ale aj pevné látky a kvapaliny reagujú na zväčšenie teploty zväčšením vnútornej energie a tým zväčšením energie pohybu molekúl. To sa prejaví tým, že molekuly majú väčšiu rozkmit okolo rovnovážnej polohy. Keď teda molekuly majú väčšie rozkmit, sú celkové rozmery telesa tiež väčšie.

Keď teleso s dĺžkou l ₀ ohrejeme o teplotu Δ t, bude jeho výsledná dĺžka:

l = l 0 * (1 + a ***** Δ t)

Δ l = l ₀ × a × Δ t

a je súčiniteľ teplotnej dĺžkovej rozťažnosti pevných látok (tab. str. 131) [a] = K ^-1

Pre objemovú rozťažnosť platí:

Zmena objemu:

V = V 0 × (1 + 3 × ** ** a ** ** × ** ** Δ t)

V = V 0 × (1 + b **  ** × ** ** Δ t)

b = 3 × a; beta .... Súčiniteľ objemovej teplotnej rozťažnosti; str. 131

b [K ^-1] je súčiniteľ teplotnej objemovej rozťažnosti kvapalín (tab. str. 149)

Väčšina látok má β> 0 -> so vzrastajúcou teplotou sa zväčšuje objem látky a klesá jej hustota.

Objem vody pri zahrievaní z 0 ° C najprv klesá, až od 3,98 ° C začne rásť → anomálie vody; umožňuje prežiť rybám cez zimu.

Možno tu využiť otázku 10

Pre odvodenie vlastností častíc používame hmotnostnej číslo + látkové množstvo

• Konstanty na 185

hmotnostné číslo

Nukleónové číslo (tiež hmotové číslo alebo hmotnostné číslo) predstavuje celkový počet nukleónov v atómovom jadre. Nukleónové číslo je dôležitou charakteristikou chemického prvku, píše sa vľavo hore.

Pokojová hmotnosť: m _a - veľkosť hmotnosti telesa, ktorú nameria pozorovateľ, voči ktorému je teleso v pokoji. Uvádza sa hlavne u elementárnych častíc, kde sa často pokojová hmotnosť značne líši od hmotnosti pozorovanej.

Atómová hmotnostná jednotka (v tab. Ako hmotnosť nukleónov): = 1/12 pokojovej hmotnosti nuklidu uhlíka (nuklid = atómy s rovnakým protónovým i nukleovými číslom)

**Relatívna atómová hmotnosť: (vzadu v tab.) **

Užíva sa na zistenie m _a, uviesť niekoľko A _R prvkov z tabuliek

Relatívna molekulová hmotnosť:
, Kde m m je pokojová hmotnosť molekuly. Je súčtom A _R atómov v molekule.

Látkové množstvo:
, Kde N je počet častíc v danom telese. Je to pomer počtu častíc látky k počtu častíc v 12g C 12

Sústava, ktorá obsahuje práve toľko častíc (napr. Atómov, molekúl, iónov), koľko je atómov nuklidu uhlíka o celkovej hmotnosti 12g, má látkové množstvo 1 mol.

* *

Avogadrova konštanta:
mol ^-1 - udáva počet atómov v 12 g, alebo počet častíc v telese o látkovom množstve 1 mol.

Molová hmotnosť:

Hmotnosť jednej častice: