Molekulová fyzika a termika:

Transkript

1 Molekulová fyzika a termika: 1. Měření teploty: 2. Délková roztažnost a Objemová roztažnost látek 3. Bimetal 4. Anomálie vody 5. Částicová stavba látek, vlastnosti látek 6. Atomová hmotnostní konstanta m u 7. Relativní atomová, Relativní molekulová hmotnost 8. Látkové množství n, molární hmotnost M 9. Vnitřní energie soustavy a změny vnitřní energie. 10. První Termodynamický zákon 11. Měření tepla: Kalorimetrie, kalorimetrická rovnice 12. Druhy tepelné výměny

2 Měření teploty Využíváme teplotní roztažnosti látek Celsiova teplota: jednotka: C se značí t Celsiův stupeň Termodynamická teplota: se značí T jednotka: K Kelvin T = t + 273,15

3 a) Kapalinové b) Bimetalové c) Odporové } Teploměry Využívají objemové teplotní roztažnosti látek Využívají teplotní závislost odporu na teplotě

4 t1 l 1 l Teplotní délková roztažnost těles závisí na materiálu, z něhož je těleso vyrobeno změna délky tělesa je přímo úměrná změně teploty l. l. t 1 Dosadíme: - počáteční teplota - konečná teplota - počáteční délka tyče - konečná délka t - prodloužení tyče - teplotní rozdíl - teplotní součinitel délkové roztažnosti K -1 t l l t l t l 1 t 1 l l.(1 t 1 )

5 V tabulce jsou uvedeny hodnoty koeficientu teplotní délkové roztažnosti α pro 0 C až 100 C látka K -1 látka K -1 zlato 18,8 sklo 8,5 hliník 23,8 měď 16,7 železo 11 bronz 17,9

6 Bimetal - dvojkov = jsou dva pásky ze dvou kovů o různých tepelných roztažnostech. Kovové pásky jsou navzájem pevně spojeny. Při ohřívání nebo ochlazování dochází na různých stranách bimetalového pásku k různému rozpínání kovů. To zapříčiní definovatelné prohnutí dvouvrstvého pásku. Vrstva kovu z materiálu s větší tepelnou roztažností se označuje jako aktivní a vrstva s menší tepelnou roztažností jako pasivní. Použití: měření a regulace teploty

7 Bimetal

8 Bimetalový teploměr

9 Teplotní objemová roztažnost setkáváme se s ní u všech tří skupenství V V.(1 t 1 ) V 1.původní objem V...konečný objem β...teplotní součinitel objemové roztažnosti jednotka K -1

10 Anomálie vody Většina látek s rostoucí teplotou zvětšuje objem Voda je výjimka nejmenší objem má při 4 C, od 4 C do 0 C se objem vody zvětšuje

11 Částicová stavba látek Látky se skládají z částic: molekul, atomů a iontů, které jsou v neustálém tepelném pohybu Částice jsou v neuspořádaném pohybu: - rychlost (tzv. tepelného pohybu) závisí na teplotě látky Částice na sebe působí přitažlivými a odpudivými silami: - velikost těchto sil závisí na vzdálenosti částic Důkazy částicové struktury látek: Difúze: Pronikání částic jedné látky mezi částice druhé látky Osmóza: Pronikání vody přes polopropustnou membránu Brownův pohyb: pohyb částeček pylu ve vodě Zobrazování atomů: elekronovým mikroskopem

12 Pevné látky Jsou složené z částic v malé vzdálenosti Tj. uplatňují se přitažlivé síly Vlastnosti pevných látek: - zachovávají tvar a objem - většina pevných látek má krystalovou strukturu s pravidelným uspořádáním částic - tepelný pohyb částic má podobu kmitání kolem rovnovážných poloh

13 Kapaliny Mezi částicemi jsou menší přitažlivé síly než v pevných látkách Vlastnosti kapalin: - zachovávají objem (jsou téměř nestlačitelné) - mění tvar podle nádoby

14 Plyny Mezi částicemi jsou velmi malé přitažlivé síly. Vlastnosti plynů: - nemají stálý tvar ani objem - jsou dobře stlačitelné

15 Atomová hmotnostní konstanta Je definována jako atomové hmotnosti izotopu uhlíku 12 C 6 m m( ) = 1, u kg 12 6C m u je hmotnost atomové hmotnostní jednotky m( 12 6C) je hmotnost atomu izotopu uhlíku 12 C 6

16 Relativní atomová hmotnost m( X ) A r ( X ) m u (Bezrozměrná veličina) A r (X) m(x) relativní atomová hmotnost hmotnost atomu X

17 Relativní molekulová hmotnost M r ( AB) m( AB) m u (Bezrozměrná veličina) M r (AB) relativní molekulová hmotnost m(ab) hmotnost molekuly relativní molekulová hmotnost se vypočítá jako součet relativních atomových hmotností prvků M r ( A x B y ) = x.a r (A) + y.a r (B)

18 Látkové množství Látkové množství 1 mol obsahuje právě tolik částic, kolik je atomů ve 12 g izotopu uhlíku 12 C. 6 Počet částic v 1 molu udává Avogadrova konstanta N A = 6, N n - látkové množství v molech n N N - počet částic ve vzorku A Stejná látková množství různých látek obsahují stejný počet částic.

19 Molární hmotnost M(X) = M r (X) u. N A = M r (X) g/mol 1u. N A = 1 g/mol m( X ) M ( X ) n( X ) M(X) molární hmotnost látky X m(x) hmotnost látky X n(x) látkové množství látky X

20 Složky vnitřní energie 1. Celková kinetická energie pohybujících se částic 2. Celková potenciální energie částic (je dána vzájemným silovým působením) 3. Kinetická a potenciální energie kmitajících atomů uvnitř molekul 4. Energie elektronů a jaderná energie Pro nás jsou důležité první dvě

21 Vnitřní energie soustavy Vnitřní energií soustavy nazveme součet celkové kinetické energie neuspořádaně se pohybujících částic (atomů, molekul, iontů) a celkové potenciální energie vzájemné polohy těchto částic. Vnitřní energie označujeme: U

22 Změna vnitřní energie 1.Konáním práce W: např. při tření, mletí, ohýbání drátu, stlačení plynu v izolované nádobě, Pokus: Třete o sebe ruce. Vysvětlení: Částice na styčných plochách se více rozkmitají a předají část energie dalším částicím. 2.Tepelnou výměnou: Odevzdá-li teplejší těleso chladnějšímu tělesu tepelnou výměnou část své vnitřní energie, říkáme, že teplejší těleso odevzdalo chladnějšímu tělesu teplo Q. 3.Současně konáním práce a tepelnou výměnou

23 První termodynamický zákon U W Q Přírůstek vnitřní energie soustavy je roven součtu práce vykonané vnějšími silami a tepla, které okolí odevzdá soustavě. W práce, kterou vykonají okolní tělesa Q teplo, které okolí dodá do soustavy

24 Znaménková dohoda Konáním práce vnějších sil soustava přijímá energii W > 0 (např. ohýbání drátu) Soustava sama vykonává práci,tedy odevzdává energii W < 0 (např. motor v automobilu) Soustava tepelnou výměnou přijímá energii Q > 0 (např.ohřívaní vody nad plamenem) Soustava odevzdává energii do okolí Q < 0 (ochlazování horkých těles ve vodě Tj.kalení oceli)

25 První termodynamický zákon Zákon zachování energie: Jestliže systém přijme od okolí teplo Q a práci W vzroste jeho vnitřní energie o hodnotu U, která se rovná součtu dodané práce a tepla U Q W +W, +Q -W, -Q dodaná energie odevzdaná energie

26 1.TERMODYNAMICKÝ ZÁKON JINAK Úpravou získáme: Provedeme přeznačení: -W=W Význam W : práce vykonaná soustavou na okolí A tedy: Q U U W W Q Q U Teplo Q dodané soustavě se rovná součtu přírůstku její vnitřní energie a práce, kterou soustava vykoná. W

27 Kalorimetr Přístroj na měření tepla

28 Měření tepla kalorimetrie Teplo Q: je určeno vnitřní energií, kterou při tepelné výměně odevzdává teplejší tělesu chladnějšímu. Jednotka tepla Q je joule (J) Tepelná kapacita: Vyjadřuje, jaké teplo musíme tělesu dodat, aby se jeho teplota zvýšila o 1 C (tj. o 1K) C Q t Jednotka J. K -1

29 Teplo Q, které příjme chemicky stejnorodé těleso o hmotnosti m při tepelné výměně, je přímo úměrné přírůstku teploty, kde c je měrná tepelná kapacita látky. t Teplo Q Q m. c. t Měrná (specifická) tepelná kapacita: c -je množství tepla, potřebné k ohřátí 1 kg látky o 1K. c Q m. t Jednotka: J. kg 1. K 1

30 měrná tepelná kapacita při 20 C látka měrná tepelná kapacita při 20 C [kj kg -1 K -1 ] cín 0,23 hliník 0,9 led 2,1 měď 0,38 mosaz 0,38 olovo 0,13 platina 0,13 síra 0,72 voda 4,2 wolfram 0,13 zlato 0,13 železo 0,45

31 Molární tepelná kapacita Značí se (velké) C = množství tepla, potřebné k ohřátí 1molu soustavy o 1 K. Q C n. C. t Q n. t Jednotka.J/K.mol

32 Kalorimetrická rovnice Do kalorimetru s kapalinou o hmotnosti m 1 a teplotě t 1 vložíme těleso o hmotnosti m 2 a teplotě t 2. Teplota kapaliny se zvýší na konečnou teplotu t a tělesa se sníží. Kalorimetr s kapalinou a tělesem budeme považovat za izolovanou nádobu. Potom teplo Q 1 přijaté kapalinou je rovno teplu Q 2 odevzdanému tělesem. Q 1 t m1c 1( t 1) Q1 Q 2 Q 2 m 2 c 2 ( t 2 t m c ( t t ) m c ( t t) )

33 Druhy tepelné výměny Přenos tepla Q: 1. Vedením -přímým dotykem 2. Prouděním - pomocí přenosného média ( uplatňuje se u kapalin a plynů) 3. Zářením - pomocí tepelného záření ( tj. elektromagnetických vln )

34 Přenos tepla vedením - přímým dotykem teplejšího a chladnějšího tělesa. Kmitající částice teplejšího tělesa předávají vzájemnými srážkami svoji vnitřní energii tělesu chladnějšímu. Tento proces probíhá v různých látkách různou rychlostí. Podle tepelné vodivosti rozlišujeme látky na tepelné vodiče a tepelné izolanty.

35 Hodnoty součinitele tepelné vodivosti vybraných materiálů při teplotě 25 C. Látka λ (W m -1 K -1 ) Diamant Stříbro 429 Měď 386 Zlato 317 Hliník 237 Mosaz 120 Železo 80,2 Platina 71,6 Olovo 35,3 Rtuť 8,514 Křemen 7.XII Led 2,2 Sklo 1,35 Voda 0,6062 Olej 0,13 Dřevo 0,04-0,35 Vlna 0,04 Pěnový polystyren 0,033 Vzduch (normální tlak) 0,0262

36 Přenos tepla prouděním Uplatňuje se v kapalinách a plynech Zahříváním se mění hustota látek, teplejší kapalina nebo plyn se přemísťuje do vyšších vrstev a nastává proudění látky.

37 Přenos tepla zářením Nevyžaduje, aby mezi zdrojem tepla a zahřívaným tělesem bylo látkové prostředí. Každé těleso v závislosti na své teplotě vyzařuje tepelné záření. Při dopadu tepelného záření na těleso mohou nastat tři případy: záření se od povrchu odráží záření látkou prochází záření je látkou pohlcováno

38 Při dopadu tepelného záření na těleso mohou nastat tři případy: záření se od povrchu odráží záření látkou prochází záření je látkou pohlcováno

39 Druhy tepelné výměny