KINETICKÁ TEORIE LÁTEK

Transkript

1 ZÁKLADNÍ POZNATKY V mechanice je pohled na tělesa makroskopický makros = veliký, na zákon zachování energie pohlížíme tak, že nás nezajímá částicová struktura, v molekulové fyzice se zajímáme o tom, co se děje s částicemi. Zahřívámeli plyn v nádobě a zaznamenáváme závislost tlaku na teplotě aniž bychom se zabývali čističovou strukturou, pracujeme termodynamicky, pokud se budeme zajímat o to, co se děje uvnitř plynu a budeme chtít tuto závislost vysvětlit musíme pracovat statisticky. Statistickým zpracováním těchto dat se zabývá molekulová fyzika. KINETICKÁ TEORIE LÁTEK ZAMYSLI SE! 3 Jak je tvořena látka jakéhokoliv skupenství? Jak velké jsou částice? Kolik jich je odhadem v 1cm (1g ) vody? Kinetická teorie látek je založena na třech základních poznatcích, které byly ověřeny experimentálně 1. částicová struktura Částicemi v látkách jsou,,. Jejich struktura je diskrétní, tedy. Velikost atomů je řádově m =, nelze je tedy vidět pouhým okem

2 2. pohyb částic Pohyb částic je neuspořádaný (chaotický), což znamená Pohyby částic dělíme na tři typy Všechny směry i rychlosti jsou stejně pravděpodobné. Částice konají neustálý neuspořádaný pohyb, kterému říkáme Uvedeme si dva důkazy tepelného pohybu částic Difúze je difúze Rychlost difúze závisí na teplotě a to tak, že Brownův pohyb HISTORICKÁ POZNÁMKA Biolog Robert Brown ( ) prováděl pokusy s pylovými zrnky na vodní hladině. Zjistil, že se zrnka pohybují, z čehož si odvodil, že je pyl živý a jako živá hmota je tedy schopen pohybu. Na vodní hladinu umístíme například pylové zrnko, rozpustíme ve vodě vodovku aj. a zaznamenáváme pohyb jedné částice po určitých časových okamžicích. 3. síly mezi částicemi Původ působících sil je v elektrických silách. Síly soudržnosti, pevnosti a přilnavosti jsou, síly nestlačitelnosti jsou.

3 ? OTÁZKY A ÚLOHY 1. Uveď poznatky kinetické teorie látek? 2. Co je to difúze? 3. Co je to brownův pohyb? 4. Jak velké jsou atomy? 5. Jakými způsoby se může pohybovat částice? 6. Jaké síly působí mezi částicemi? VZÁJEMNÉ PŮSOBENÍ ČÁSTIC, POTENCIÁLNÍ ENERGIE ZAMYSLI SE! Jaké síly působí mezi částicemi? Jak závisí velikost a typ síly na jejich vzdálenosti? Částice jsou složité objekty, pro zjednodušení si je můžeme představit složené ze dvou částí, a. Přibližujemeli k sobě dvě částice skládá se vzájemné obalů a jader a podle jejich výsledného působení se částice přitahují nebo odpuzují. Při malé vzdálenosti částic převládne, proto se částice. Při oddalování částic se postupně začne více a více projevovat. Z toho tedy vyplývá, že při velké vzdálenosti částic převládne, proto se částice. Z této úvahy jasně vyplývá, že při určité vzdálenosti

4 Závislost působících sil na vzdálenosti částic lze znázornit graficky. V prvním kvadrantu jsou působící síly záporné, ve čtvrtém kladné. Silám, které působí v atomech nebo molekulách říkáme Z existence těchto sil vyplývá, že soustava částic má Vazebná energie je rovna? OTÁZKY A ÚLOHY 1. Jak se mění působící síla v závislosti na vzdálenosti částic? 2. Co jsou to vazebné síly? 3. Jak vysvětlíme existenci potenciální energie mezi částicemi? MODELY STRUKTUR LÁTEK RŮZNÝCH SKUPENSTVÍ ZAMYSLI SE! Kolik skupenství znáš? Uveď příklady látek těchto skupenství Do dnešní doby je známo sedm skupenství

5 plynné skupenství plyn je složen z jedno nebo dvou atomových molekul vzdálenosti mezi molekulami plynu jsou, řádově vzhledem k těmto vzdálenostem jsou působící síly mezi částicemi ke změně směru nebo rychlosti částice dochází, ty jsou realizovány tak, že u částic dochází nejen k posuvnému, ale také k a pohybu, celková kinetická energie plynu je rovna součtu energií těchto tří pohybů protože jsou částice od sebe hodně vzdáleny, působí mezi částicemi síla, je potenciální energie vzhledem ke kinetické energii pevné skupenství pevné látky dělíme na dva typy vzdálenosti mezi molekulami pevné látky jsou, řádově jde tedy o vzhledem k těmto vzdálenostem jsou působící síly mezi částicemi, pevné látky mají tedy stálý a pohyb částic v pevné látce je oproti ostatním skupenstvím omezený, mohou pouze, kinetická energie je tedy protože jsou částice hodně blízko, působí mezi částicemi síla, je potenciální energie vzhledem ke kinetické energii

6 kapalné skupenství vzdálenosti mezi molekulami kapaliny jsou, řádově jde tedy o vzhledem k těmto vzdálenostem jsou působící síly mezi částicemi, přitažlivé síly tedy působí jen mezi nejbližšími částicemi působí li na kapalinu vnější síla, základní vlastností kapaliny tedy je její vzhledem k pohybu a vzdálenostem částic je kinetická energie potenciální energie částic kapaliny plazma plazma je proud elektricky nabitých částic vzniká při vysokých teplotách, kdy dochází k ionizaci, vzniku a v přírodě se také vyskytuje plazma a to v podobě nebo plazmatem je vyplněn mezihvězdný prostor a jsou z něj složeny hvězdy, z plazmatu je složeno asi % vesmíru objev pátého skupenství byl oznámen v roce 1995 je pojmenováno za počest dvou významných fyziků Alberta Einsteina a Satyendry Nathe Boseho (Indie) někdy je označováno jako nulté skupenství jeho existence je možná pouze za velmi nízkých teplot, tedy teplot

7 šesté skupenství byl objeveno v roce 2000 může existovat jen za obrovských teplot kolem milionu Kelvinů a vysokých tlaků existovalo několik milisekund po velkém třesku poslední dosud známé skupenství bylo objeveno v roce 2004 existuje za velmi nízkých teplot vlastnosti tohoto skupenství jsou blízké supravodivosti? OTÁZKY A ÚLOHY 1. Která skupenství znáš, tři základní podrobně popiš? 2. V jakém vztahu jsou velikosti kinetické a potenciální energie u třech základních skupenství? 3. Kde se můžeme setkat s plazmatem? Soustava je ROVNOVÁŽNÝ STAV SOUSTAVY Izolovaná soustava je Adiabaticky izolovaná soustava je Stav soustavy je charakterizován stavovými veličina, což Při interakci s okolím dochází ke změnám stavových veličin, při kterých závisí pouze na počáteční a koncové hodnotě veličiny, nezávisí tedy Pozn.: dějové veličiny jsou

8 Rovnovážný stav soustavy je stav, ZAMYSLI SE! Jaké stavové veličiny se mění při zahřívaní plynu v Papinově hrnci? Jaké stavové veličiny se mění při stlačování plynu v pístu? každá soustava, která je od určitého okamžiku v neměnných vnějších podmínkách v tomto stavu setrvá, pokud zůstanou podmínky zachovány. Rovnovážný děj je děj, Reálný děj je děj, který Vratný děj je děj,

9 Nevratný děj je děj,? OTÁZKY A ÚLOHY 1. Co je to izolovaná soustava? 2. Co je to adiabaticky izolovaná soustava? 3. Co jsou to stavové veličiny, uveď příklad. 4. Co jsou to dějové veličiny, uveď příklad. 5. Co je to rovnovážný stav? 6. Co je to rovnovážný děj? 7. Co je to vratný děj? 8. Co je to nevratný děj? ROVNOVÁŽNÝ STAV JAKO STAV S NEJVĚTŠÍ PRAVDĚPODOBNOSTÍ VÝSKYTU ZAMYSLI SE! Jaká je pravděpodobnost, že na jedné kostce padne šestka? Jaká je pravděpodobnost, že na dvou kostkách padnou dvě šestky?

10 Základy pravděpodobnosti: Proč je rovnovážný stav nejčastější? Budemeli měřit hustotu vzduchu v různých místech pokoje, naměříme všude stejnou hustotu. Je to tím, že vzduch je v místnosti rovnoměrně rozmístěn. Může soustava přejít z rovnovážného do nerovnovážného stavu? Z hlediska pravděpodobnosti Mějme nádobu rozdělenou na dvě stejně velké části A a B a v nádobě postupně jednu, dvě, tři a čtyři částice. Zakreslíme všechny možné varianty rozdělení částic do těchto dvou částí. jedna částice dvě částice

11 tři částice čtyři částice

12 Pravděpodobnost samovolného stlačení plynu do jedné poloviny je tak malá, že ji považujeme za nemožnou Rovnovážný stav je stav s největší pravděpodobností výskytu? OTÁZKY A ÚLOHY 1. Jak je definován rovnovážný stav pomocí pravděpodobnosti? 2. Proč je rovnovážný stav nejpravděpodobnější? Dokaž na příkladu 4 částic. 3. Proč je přemístění částic do jedné poloviny nádoby téměř nemožné? 4. Zakresli všechny možnosti rozdělení šesti částic v nádobě rozdělené na dvě části. Které rozdělení je nejpravděpodobnější a jaká je jeho pravděpodobnost? TEPLOTA A JEJÍ MĚŘENÍ ZAMYSLI SE! Jak funguje teploměr? Subjektivní měření teploty je Objektivní měření teploty je POKUS Ponoř jednu ruku do teplé vody a potom do vlažné vody. Zdá se voda teplá nebo studená? Druhou ruku ponoř nejprve do studené a pak do vlažné vody. Zdá se voda teplá nebo studená? Proč při stejné teplotě vody máme pocit, že jsou teploty různé?

13 Abychom mohli měřit objektivně musíme zavést srovnávací veličinu, tou je teplota K zavedení pojmu teplota je nutné využít poznatků rovnovážného stavu Tělesům, která jsou při vzájemném dotyku v rovnovážném stavu Měníli tělesa při dotyku svoji teplotu Srovnávacímu tělesu při měření teploty říkáme, dále je nutné určit veličinu na základě jejíž změny budeme určovat teplotu, sestrojit stupnici a určit jednotku Teplota se nejčastěji určuje na základě změny dvou veličin a to nebo HISTORICKÁ POZNÁMKA ke zdůvodnění jednotky a stupnice Švédský fyzik Anders Celsius sestavil teplotní stupnici následovně: Typy teploměrů

14 ? OTÁZKY A ÚLOHY 1. Jak lze sestavit teplotní stupnici na teploměru? 2. Jaký je rozdíl mezi objektivním a subjektivním měřením teploty? 3. Jaké typy teploměrů znáš a jak fungují? TERMODYNAMICKÁ TEPLOTA ZAMYSLI SE! Základní jednotkou soustavy SI je také jednotka teploty, jak se jmenuje? Vyhledej její definici v tabulkách

15 Každá stupnice vždy závisí na volbě náplně teploměru. Vždy byly snahy sestrojit takový teploměr, jehož stupnice by na náplní nezávisela. Takové snahy byly marné, proto britský fyzik William Thompson, zvaný též lord Kelvin, definoval teplotní stupnici na základě poznatků o účinnosti teplených strojů, této stupnici říkáme Teplota v se nazývá, označujeme ji a její jednotkou je Výhodou této stupnice je to, že má jen jednu základní teplotu a to tzv., jemuž byla dohodou stanovena teplota Z této úvahy lze definovat Kelvin, jednu ze základních jednotek soustavy SI Jeden Kelvin je Převody mezi Celsiovou a termodynamickou teplotou Jedním ze základních poznatků termodynamiky je tzv. nultá věta termodynamiky a to, že nelze dosáhnout teploty 0 K? OTÁZKY A ÚLOHY 1. Jaký je rozdíl mezi Celsiovou a termodynamickou teplotou 2. Jaká je jednotka termodynamické teploty a jaký je její vztah ke stupni Celsia? 3. Jak je definován Kelvin?