R9.1 Molární hmotnost a molární objem

Transkript

1 Fyzika pro střední školy I 73 R9 M O L E K U L O V Á F Y Z I K A A T E R M I K A R9.1 Molární hmotnost a molární objem V čl. 9.5 jsme zavedli látkové množství jako fyzikální veličinu, která charakterizuje počet částic v látce. Jednotkové látkové množství libovolné látky, tzn. 1 mol, obsahuje vždy stejný počet částic. Určuje ho Avogadrova konstanta N A =6, mol 1. Hmotnost částic se však u jednotlivých látek liší a hmotnost 1 molu určité chemickystejnorodélátkynazývámemolárníhmotnost M m.jestližetěleso z dané látky má hmotnost m a je tvořeno počtem částic, které odpovídají látkovému množství n, platí M m = m n. Jednotkoumolárníhmotnostijekilogramnamol,značka kg mol 1. Molární hmotnost z chemicky stejnorodé látky určíme výpočtem. Molekula látkyorelativnímolekulovéhmotnosti M r máhmotnost m m = M r m u,kde m u jeatomováhmotnostníkonstanta(vizčl.9.5).poněvadžv1moluje N A částic, je molární hmotnost M m = m m N A = M r m u N A. Protožesoučin m u N A =1, kg 6, mol kg mol 1, vypočítáme molární hmotnost látky tedy snadno pomocí vztahu M m M r 10 3 kg mol 1. Příklady molárních hmotností: uhlík 0,012kg mol 1 kyslík 0,032kg mol 1 vzduch 0,029kg mol 1 Příklad Určete molární hmotnost vody. Řešení Relativní atomová hmotnost vodíku M rh = 1,008 a kyslíku M ro = = 15,999.VodamáchemickésloženíH 2 O,takžerelativnímolekulová

2 R9 MOLEKULOVÁ FYZIKA A TERMIKA 74 hmotnost vody: M r =2M rh + M ro =2 1,008+15,999=18, Molární hmotnost vody M m = M r 10 3 kg mol kg mol 1 = =0,018kg mol 1. Obdobně jako molární hmotnost je definována veličina molární objem, což je objem 1 molu dané látky. Jestliže za daných fyzikálních podmínek má těleso objem V a odpovídající látkové množství je n, platí V m = V n. Jednotkoumolárníhoobjemujemetrkrychlovýnamol,značka m 3 mol 1. Důležitou veličinou je molární objem plynů, který je značně ovlivněn tlakem a teplotou plynu. Zanormálníchpodmínek,tzn.přitlaku1, Paatermodynamické teplotě 273,15 K mají všechny plyny stejný molární objem: V m 22, m 3 mol Za normálních podmínek má tedy 1 mol libovolného plynu objem 22,4 litru. Současně to také znamená, že při určitém tlaku a teplotě mají stejná látková množství různých plynů stejný objem. Příklad Vnádobějeplyn,kterýmázanormálníchpodmínekhmotnost745mg aobjem8,3l.ojakýplynsejedná? Řešení m=745mg=7, kg, V =8,3l=8, m 3 Látkové množství plynu n= V V m = 8, m 3 =0,37mol. 22, m3 mol

3 R9.2 Přenos vnitřní energie 75 Relativní molekulová hmotnost plynu: M r = M m 10 = m 1 7, = 3 n10 3 0, kg mol 1 2,0kg mol 1 VnádobějevodíkH 2. Otázky a úlohy 1 Určetemolárníhmotnosta)molekulyheliaHe,b)molekulydusíkuN 2, c)molekulyoxiduuhličitéhoco 2. [ ] 2 Poměrná atomová hmotnost kyslíku je 16. Jak to, že molární hmotnost kyslíkuje0,032kg mol 1? [ ] 3 S použitím hodnot uvedených v čl. R9.1 určete hustotu vzduchu za normálníchpodmínek. [1,29kg m 3 ] 4 UrčetehustotuoxiduuhličitéhoCO 2 zanormálníchpodmíneksvyužitím hodnotmolárníhmotnostiamolárníhoobjemu. [1,96kg m 3 ] R9.2 Přenos vnitřní energie Člověk pro svůj život, pro výrobu, dopravu a mnoho dalších činností potřebuje zdroje tepla. V těchto zdrojích probíhají fyzikální a chemické děje, jejichž výsledkem je taková vnitřní energie zdroje, že jeho teplota je trvale vyšší než teplota jeho okolí. Příkladem takového zdroje může být hořící palivo v kamnech, topná spirála rozžhavená procházejícím proudem, ale také Slunce, které je pro život na Zemi vlastně nejdůležitějším zdrojem tepla. Využívání zdroje tepla spočívá v tom, že se jeho vnitřní energie přenáší tepelnou výměnou do okolí. Tepelná výměna může probíhat různými způsoby. Ukážeme si to třemi jednoduchými pokusy, které potvrzují známou zkušenost. Rukou uchopíme kovovou(např. měděnou) tyčku a vložíme ji do plamene (obr.r9-1a).pochvílicítíme,žeseteplotavmístědotykurukyzvyšuje.při obdobném pokusu se skleněnou tyčinkou však její konec můžeme zahřát až do rozžhavení, a přesto v místě dotyku ruky zvýšení teploty necítíme. Na obr. R9-1b je známá ozdoba vánočního stolu. Plamen svíček ohřívá okolní vzduch, ten stoupá vzhůru a uvádí do otáčivého pohybu plechový větrník.

4 R9 MOLEKULOVÁ FYZIKA A TERMIKA 76 a) b) c) Obr. R9-1 Do stejné vzdálenosti od hořícího kahanu umístíme dva stejné teploměry (obr. R9-1c). Baňku s teploměrnou kapalinou obalíme u jednoho teploměru tenkou hliníkovou fólií a u druhého teploměru černým papírem. Po chvíli teplotu, kterou ukazují oba teploměry, porovnáme. U černého teploměru nastalo podstatné zvýšení teploty, kdežto teplota lesklého teploměru se zvýšila jen nepatrně. Rozdíl teplot nemůže být způsoben teplotou okolního vzduchu, která je v blízkosti obou teploměrů stejná. Pokusy ukazují tři základní způsoby přenosu vnitřní energie tepelnou výměnou. Teplo, které při tepelné výměně přechází z tělesa teplejšího na těleso chladnější, se přenáší třemi způsoby: vedením prouděním zářením Tepelná výměna vedením se uskutečňuje přímým dotykem zdroje tepla(teplejšího tělesa) a tělesa chladnějšího. Z hlediska částicové struktury si tento děj představujeme tak, že částice zdroje tepla se pohybují větší rychlostí a v místě

5 R9.2 Přenos vnitřní energie 77 styku předávají vzájemnými srážkami svoji vnitřní energii částicím tělesa chladnějšího. Tato energie pak postupně přechází i na další části chladnějšího tělesa. Částice látky však při vedení tepla nemění svoji polohu. Pokus s kovovou a skleněnou tyčinkou ukázal, že tepelná výměna vedením v různých látkách probíhá různou rychlostí. Obecně platí, že dobrou tepelnou vodivost mají kovy. Nejlepší vodivost má měï a stříbro. Naopak nekovové látky (dřevo, sklo, porcelán, plastické materiály apod.) vedou teplo špatně. Proto se uplatňují jako tepelně izolační materiály. Velmi špatnou tepelnou vodivost má také vzduch. Toho se v praxi využívá tam, kde chceme zabránit vzniku tepelných ztrát, např. ve stavebnictví při tepelné izolaci budov. Jako tepelně izolační materiály se využívají pórovité látky obsahující dutiny vyplněné vzduchem. Nestejné tepelně izolační vlastnosti různých materiálů jsou patrny z přehledu na obr. R9-2, kde jsou porovnány tloušņky vrstev různých materiálů, při nichž jsou tepelné ztráty stejné. 2,5cm 8,5cm 14cm 25cm 38cm 125cm izolační materiál (pěnový polystyren) měkké dřevo plynosilikát duté tvárnice plné cihly beton Obr. R9-2 V mnoha případech naopak požadujeme, aby vedení tepla bylo co nejlepší. Např. při vaření na elektrickém vařiči je nutné, aby se nádoba s pokrmem těsně dotýkala plochy vařiče(obr. R9-3a). V opačném případě(obr. R9-3b) je tepelná výměna nedokonalá a vznikají zbytečné ztráty. správně chybně a) b) Obr. R9-3 Tepelná výměna prouděním se uplatňuje v kapalinách a plynech. Zahříváním se mění hustota těchto látek, teplejší kapalina nebo plyn se přemísņují do vyšších vrstev a nastává proudění látky. To znamená, že částice s větší energií se při tomto způsobu tepelné výměny přemísņují.

6 R9 MOLEKULOVÁ FYZIKA A TERMIKA 78 Tepelná výměna prouděním má v přírodě i v technice široké uplatnění. Vysvětlujeme pomocí ní např. řadu dějů v ovzduší, které ovlivňují vývoj a průběh počasí. Jako příklad z praxe si uvedeme ústřední vytápění, jehož princip je patrný zobr.r9-4.zdrojemteplajekotel,vněmžsevodazahřívánavyššíteplotu.tím se snižuje její hustota a voda stoupá potrubím vzhůru do jednotlivých topných těles (radiátorů). Zde nastává tepelná výměna s okolním vzduchem, který proudí ve směru šipek. Voda v tělesech se při této tepelné výměně ochlazuje, její hustota se zvětšuje a voda klesá zpět do kotle. Pokud by samovolné proudění pro dobrou funkci topení nepostačovalo, zařazuje se mezi kotel a potrubí čerpadlo, které zajišņuje nucený oběh vody. Obr. R9-4 Tepelná výměna zářením se liší od předcházejících způsobů tepelné výměny tím, že nevyžaduje, aby mezi zdrojem tepla a zahřívaným tělesem bylo látkové prostředí(např. vzduch). Každé těleso v závislosti na své teplotě vyzařuje tepelné záření. Toto záření má určitou energii, a je-li jiným tělesem pohlceno, pak se o tuto energii zvýší vnitřní energie druhého tělesa. Při dopadu tepelného záření na těleso mohou nastat v podstatě tři případy (obr. R9-5). sklo lesklý plech tmavé těleso Obr. R Tepelné záření látkou tělesa(např. sklem) prochází. Teplota tělesa se nezvýší.

7 R9.2 Přenos vnitřní energie Tepelné záření se od povrchu tělesa(např. od lesklé kovové plochy) převážně odráží a zvýšení teploty je malé. 3. Tepelné záření je povrchem tělesa(např. tmavou drsnou plochou) pohlcováno a těleso se zahřívá. Z hlediska tepelné výměny zářením je nejdůležitějším zdrojem tepla Slunce. Jeho povrch má vysokou teplotu(přibližně K) a kromě světla vyzařuje i tepelné záření, které se k Zemi šíří vzduchoprázdným kosmickým prostorem. Tepelná výměna zářením je výrazně ovlivněna úhlem, pod kterým záření dopadánazemskýpovrch.vletníchměsícíchjesluncevýšenadobzorema záření dopadá pod větším úhlem(obr. R9-6a) a na plošnou jednotku povrchu Země předá sluneční záření více energie než v zimě(obr. R9-6b). Tomu odpovídají i hodnoty teploty ovzduší v různých ročních obdobích. Názorně je tonaznačenonaobr.r9-7,kterýzachycujesměrosyotáčenízeměasměr slunečního záření v den tzv. letního slunovratu(21. června). léto zima α α a) b) Obr. R červen severní polokoule letní období sluneční záření rovník jižní polokoule zimní období Obr. R9-7 Otázky a úlohy 1 Který druh tepelné výměny je možný ve vzduchoprázdném prostředí? Vysvětlete. [ ] 2 Ke konstrukci termosky se používá skleněná nádoba s dvojitými stěnami, které jsou pokryty lesklou vrstvou kovu. Z vnitřního prostoru mezi stěnami je vyčerpán vzduch. Objasněte funkci termosky. [ ]

8 R9 MOLEKULOVÁ FYZIKA A TERMIKA 80 3 Jedním z problémů ve stavebnictví je tepelná izolace budov. a) Uvažte, co je příčinou tepelných ztrát. b) Jakými cestami lze tyto ztráty zmenšit? 4 Pro snížení tepelných ztrát byly navrženy dva způsoby: a) ke sklu jednoduchého okna přiložit ještě jedno sklo, takže se tloušņka skla zdvojnásobí, b)zasklítoknodruhoutabulísmezerou30mmmeziskly.kterýzobou navržených způsobů je vhodnější? [ ] 5 Proč je u elektrických topných těles umístěn za topnou spirálou lesklý plech tvořící dutou plochu? Jaká je jeho funkce? [ ] 6 Objasněte, proč je při bezmračné obloze noční ochlazení větší, než když je zataženo. [ ] 7 Na obr. R9-8 je znázorněn pokus, při němž zahříváme vodu ve zkumavce jednou u hladiny, jednou u dna zkumavky. V prvním případě pozorujeme, že voda u hladiny vře, kdežto dno zkumavky zůstává chladné. Ve druhém případě se zahřeje na teplotu varu celý objem vody. Vysvětlete. Uvažte, jakou má voda tepelnou vodivost. [ ] Obr. R9-8