LOGO. Molekulová fyzika

Transkript

1 Molekulová fyzika

2 Molekulová fyzika Molekulová fyzika vysvětluje fyzikální jevy na základě znalosti jejich částicové struktury. Jejím základem je kinetická teorie látek (KTL). KTL obsahuje tři tvrzení: Látky jakéhokoliv skupenství se skládají z částic (atomy, molekuly, ionty). Částice se v látkách neustále a neuspořádaně (tzn. chaoticky) pohybují pohybem posuvným, rotačním i kmitavým. Částice na sebe navzájem působí silami. Při malých vzdálenostech převažují síly odpudivé, při větších naopak přitažlivé. Jsou elektrické podstaty.

3 Látky jakéhokoliv skupenství se skládají z částic (atomy, molekuly, ionty). Prostor jimi není beze zbytku vyplněn, jsou mezi nimi mezery. Látka má tedy nespojitou (diskrétní) strukturu. O správnosti tohoto tvrzení se můžeme přesvědčit pomocí moderní zobrazovací techniky. ohrada z atomů železa povrch zlata

4 stadion z atomů železa na povrchu mědi (IBM) atomy na wolframovém hrotu

5 Částice se v látkách neustále a neuspořádaně pohybují Důkazem tohoto tvrzení je např.: Brownův pohyb, což je třaslavý pohyb částeček pylu, tuše či mléka ve vodě anebo vzduchu způsobený nárazy molekul okolního prostředí. Difúze, neboli samovolné pronikání částic jedné látky (např. barviva) mezi částice druhé látky (např. vody) Osmóza, nebo li difúze přes polopropustnou obvykle organickou membránu. Rychlost tohoto pohybu závisí na teplotě. Protože se částice v látkách pohybují, mají kinetickou energii.

6 Brownův pohyb

7 Difúze Difúze je nejrychlejší v plynech a kapalinách, pozorujeme ji však i v pevných látkách.

8 Osmóza V membráně jsou otvory, jimiž dobře pronikají na rozdíl od velkých molekul organických látek malé molekuly vody. Membrána je tedy polopropustná, což např. znamená, že voda dobře proniká do buňky, z níž naopak nemohou uniknout molekuly cukru.

9 Osmóza otvory v membráně

10 Částice na sebe navzájem působí silami. O jejich existenci např. svědčí soudržnost a pevnost těles nebo jejich přilnavost. Protože na sebe částice působí silami, mají potenciální energii. Na částice působí jak odpudivá, tak přitažlivá síla, výslednice závisí na vzdálenosti částic.

11 Velikost sil, působících na částice Pokud jsou částice blízko u sebe, odpuzují se (odpudivá síla je větší než přitažlivá). Budeme-li částice oddalovat, bude se odpudivá síla zmenšovat. V určité vzdálenosti bude odpudivá síla stejně velká jako síla přitažlivá => částice na sebe nepůsobí. Při dalším vzdalování se budou částice přitahovat (odpudivá síla je menší než přitažlivá). Ve velké vzdálenosti na sebe částice přestávají působit.

12 Modely struktur látek různých skupenství Rozlišujeme tři skupenství: Plynné Pevné Kapalné

13 Plynná látka

14 Plynná látka Vzdálenost mezi částicemi je velmi velká oproti rozměrům částic (3 nm : 0,07 nm pro vodík). Částice vykonávají tepelný pohyb; pohybují se všemi směry a různými rychlostmi; plyn je rozpínavý a stlačitelný. Mezi částicemi prakticky nepůsobí žádné síly s výjimkou vzájemných srážek nebo nárazů na stěnu nádoby. V důsledku toho se mezi dvěma srážkami pohybují rovnoměrně a přímočaře. Potenciální energie je zanedbatelná, tzn. E k >>E p.

15 model plynu

16 Pevná látka Každá částice je v rovnovážné poloze, kolem které chaoticky kmitá asi do 1/6 vzájemné vzdálenosti. Pevná látka tedy obvykle vytváří krystalovou strukturu. Pokud na pevné těleso nepůsobí vnější síly, má neměnný tvar i objem. Částice jsou velmi blízko u sebe (0,2 0,3 nm). Potenciální energie je mnohem větší než energie kinetická E k <<E p

17 struktura ledu

18 Kapalná látka Každá molekula kmitá kolem rovnovážné polohy. Uspořádání však již není tak pravidelné jako u látek pevných. Rovnovážná poloha se může měnit, tzn. asi 10% výchylek je tak velkých, že si částice vymění místo s částicí sousední anebo se mezi dvě sousední protlačí. Proto má sice kapalina stálý objem, ale může měnit svůj tvar, tzn. je tekutá. Potenciální energie je srovnatelná s energií kinetickou E k E p

19 struktura kapalné vody

20 TEPLOTA A JEJÍ MĚŘENÍ

21 Teplota Dotkneme-li se tělesa, můžeme mít pocit tepla anebo chladu. Jsme tedy schopni rozlišovat teplotu těles; je to však náš subjektivní pocit. Teplota je však i fyzikální veličina, která nám podává informaci o intenzitě pohybu částic, tzn. těleso obsahující rychlé částice se nám jeví jako teplé, kdežto těleso s pomalými částicemi je studené.

22 Teplotní stupnice V běžné praxi používáme teplotu Celsiovu. značka: t jednotka: C (stupeň Celsia) Ve fyzice zvláště pak k výpočtům pak teplotu termodynamickou. značka: T jednotka: K (kelvin)

23 Celsiova stupnice Celsiovu stupnici (Anders Celsius, 1742) sestrojíme tak, že baňku s kapilárou ponoříme do tajícího ledu. Výšku kapaliny v kapiláře zaznamenáme a označím symbolem 0 C. Pak baňku s kapilárou ponoříme do vařící se vody, výšku kapaliny opět zaznamenáme a označíme symbolem 100 C. Vzdálenost mezi oběma značkami rozdělíme na 100 stejných dílků. Tak dostaneme 1 C.

24 Celsiova stupnice 100 o C 0 o C

25 Termodynamická teplota Celsiova stupnice není přesná (bod varu a tuhnutí závisí na mnoha okolnostech) Lord Kelvin navrhl teplotní stupnici, která nebude zatížena chybami a bude vždy přesná. Termodynamickou teplotu zavedeme tak, že rovnovážnému stavu ledu, vody a syté páry (trojný bod vody o teplotě 0,01 C) přisoudíme teplotu 273,16 K. Kelvin je pak 1/273,16 termodynamické teploty trojného bodu vody. Mluvíme pak o termodynamické stupnici a termodynamické teplotě (T), jejíž jednotkou je kelvin (K).

26 trojný bod vody (T=273,16 K, t=0,01 C) sytá pára led voda uzavřená nádoba

27 Vztahy mezi termodynamickou a Celsiovou teplotou t T 273,15 T t Platí: 273,15 t T

28 Měření teploty Teplotu měříme teploměry (teplotoměry). Druhy teploměrů: Kapalinový teploměr (1631). Pracuje na principu teplotní roztažnosti kapalin. Nevýhoda kapalinových teploměrů spočívá v tom, že kapaliny se neroztahují rovnoměrně, a proto nejsou dostatečně přesné.

29 kapalinový teploměr: stupnice kapilára nahoře zatavená, z níž je vyčerpán vzduch baňka obvykle naplněné rtutí anebo lihem

30 plynový teploměr Jedná se o nádobu naplněnou lehkým plynem (H 2 ). K měření teploty se využívá závislost tlaku plynu na teplotě při stálém objemu plynu, tzn. jeho teplotní rozpínavost. Výhodou plynových teploměrů: jej jejich vysoká přesnost (plyny se rozpínají rovnoměrně).

31 bimetalový teploměr Obsahuje bimetalový (dvojkový) pásek, který je tvořen dvěma kovy s různou teplotní délkovou roztažností. Při změně teploty se pásek ohýbá a tento pohyb se přenáší na ručku přístroje.

32 Další teploměry odporový teploměr Pracuje na principu závislosti elektrického odporu vodiče nebo polovodiče na teplotě. termoelektrický teploměr K měření teploty využívá termoelektrický jev (různé teploty spoje dvou různých kovů vedou ke vzniku tzv. termoelektrického napětí). radiační teploměr Tento tzv. infrateploměr určený k měření vysokých teplot je založený na zákonech tepelného záření.

33 Stav soustavy těles Stav soustavy je přesně a jednoznačně určen stavovými veličinami Tlak, teplota, objem, chemické složení, skupenství, Pokud se stav soustavy těles nemění je soustava v rovnovážném stavu. Aby se stav soustavy neměnil, můžeme ji uzavřít před vlivy okolí (izolovat) Izolovaná soustava soustava, která si s okolím nevyměňuje ani částice, ani energii. Adiabaticky izolovaná soustava nevyměňuje si s okolím teplo Uzavřená soustava může si vyměňovat energii, ale ne částice.

34 Rovnovážný děj Jestliže se alespoň jedna stavová veličina mění, soustava je v nerovnovážném stavu a bude v něm tak dlouho, dokud se všechny veličiny budou měnit. Změna z jednoho rovn. stavu do druhého se nazývá děj. Obvykle se při dějích stavové veličiny nepravidelně mění takový děj by se však těžko popisoval. Pro zjednodušení nahrazujeme (pomalé) reálné děje ději rovnovážnými. Rovnovážný děj = děj, složený z jednotlivých rovnovážných stavů.