Molekulová fyzika a termika Přehled základních pojmů
Kinetická teorie látek Vychází ze tří experimentálně ověřených poznatků: 1) Látky se skládají z částic - molekul, atomů nebo iontů, mezi nimiž jsou mezery - nespojitá (diskrétní) struktura látek 2) Částice se neustále a neuspořádaně pohybují - tepelný pohyb 3) Částice na sebe navzájem působí silami - při malých vzdálenostech jsou tyto síly odpudivé, při větších přitažlivé - síly elektromagnetické povahy (elektromagnetická interakce) Difuze Osmóza Brownův pohyb
Veličiny popisující soustavu částic Relativní atomová hmotnost A r = m a m u m a je klidová hmotnost atomu m u je atomová hmotnostní konstanta (uhlíková jednotka) = 1/12 klidové hmotnosti atomu nuklidu uhlíku 12 6 C, m u 1, 66. 10 27 kg Relativní molekulová hmotnost M r = m m m u Relativní molekulová hmotnost je součtu relativních atomových hmotností atomů, které vytvářejí molekulu. Avogadrova konstanta N A 6, 02. 10 23 mol 1 Základní fyzikální konstanta, jejíž číselná hodnota udává: 1) počet atomů v nuklidu uhlíku 12 6 C o hmotnosti 0,012 kg 2) Počet částic v chemicky stejnorodém tělese o látkovém množství jeden mol Látkové množství n soustavy částic je n = N N A mol Molární hmotnost M m = m n kg. mol 1
Rovnovážný stav soustavy Tělesa nebo skupina těles se může nacházet v různých stavech - mohou mít různou teplotu, tlak, objem, chemické složení, uspořádání částic (termodynamická) soustava Příklad: voda a její pára v láhvi soustava izolovaná - nedochází k výměně energie ani k výměně částic s okolím konáním práce nebo tepelnou výměnou soustava uzavřená - nedochází k výměně částic mezi soustavou a okolím adiabaticky izolovaná - nedochází k tepelné výměně s okolím Veličiny charakterizující stav soustavy jsou stavové veličiny (např. teplota, tlak, objem). rovnovážný stav soustavy - stavové veličiny se nemění s časem
Cvičení Rozhodněte, zda můžeme nebo nemůžeme považovat následující soustavy za soustavu, která je v rovnovážném stavu, a své rozhodnutí zdůvodněte: a) právě připravená káva v šálku stojícím na stole, b) Středozemní moře c) horký čaj se svojí párou v termosce, d) led v mrazáku.
Celková energie soustavy E = E k + E p + U E k kinetická energie makroskopického pohybu (posuvný, otáčivý, kmitavý) E p potenciální energie - vzájemné silové působení těles (např. v tíhovém nebo elektrostatickém poli) U - vnitřní energie tepelný pohyb částic + potenciální energie částic + (energie elektronů v elektronových obalech + energie jader) První termodynamický zákon U = W + Q Změna vnitřní energie soustavy U je rovna součtu práce W vykonané okolními tělesy působícími na soustavu silami a tepla Q odevzdaného okolními tělesy soustavě.
Celsiova a termodynamická teplota t = T 273,15 C Převody jednotek
Struktura a vlastnosti plynů Ideální plyn: 1) Rozměry molekul ideálního plynu jsou zanedbatelně malé ve srovnání se střední vzdáleností molekul od sebe. 2) Molekuly ideálního plynu na sebe navzájem silově nepůsobí kromě vzájemných srážek. 3) Vzájemné srážky molekul ideálního plynu a srážky těchto molekul se stěnami nádoby jsou dokonale pružné. Úloha V sifonové bombičce je oxid uhličitý. Je možno ho v tomto stavu považovat za ideální plyn? Nádobka má vnitřní objem 14 cm 3, hmotnost náplně je 7 g. Uvažujte teplotu 20 C.
Stavová rovnice pro ideální plyn Plyn, který je v rovnovážném stavu, lze charakterizovat stavovými veličinami T, p, V a N (počet molekul) (popřípadě hmotností plynu m nebo jeho látkovým množstvím n (počet molů)). Rovnice, která vyjadřuje vztah mezi těmito veličinami, se nazývá stavová rovnice. pv = NkT pv = nr m T pv = m M m R m T pv T = konst. Boltzmannova konstanta k 1, 38. 10 23 J. K 1. mol 1 molární plynová konstanta R m = k. N A 8, 31 K 1 (pro všechny plyny je stejná) Avogadrův zákon Plyny o stejném objemu, teplotě a tlaku mají stejný počet molekul.
Tepelné děje s ideálními plyny izotermický (T = konst.) izochorický (V = konst.) izobarický (p = konst.) adiabatický (Q = konst.)