Kapitoly z fyzikální chemie KFC/KFCH I. Základní pojmy FCH a kinetická teorie plynů RNDr. Karel Berka, Ph.D. Univerzita Palackého v Olomouci
Zkouška a doporučená literatura Ústní kolokvium Doporučená literatura Atkins Physical Chemistry in Life Sciences, Oford University Press, Oford 006 Brdička Základy fysikální chemie, Academia, Praha 1977 Moore Fyzikální chemie, SNTL, Praha 1981 Wikipedia.org (eng)
Skupenský stav látky plyn (g) tekutina vyplňující zcela libovolnou nádobu malé částice, velké vzdálenosti, neustálý pohyb kapalina (l) tekutina s odlišitelným rozhraním, která v gravitačním poli zaujímá nižšíčásti nádoby částice v kontaktu, stále se pohybují, často narážejí do okolí pevná látka (s) udržuje svůj tvar bez ohledu na nádobu, v níž je částice v kontaktu, oscilují kolem rovnovážných poloh (plazma) nabité částice - elektrony a ionty
Energie a práce práce - W F.s uspořádaný pohyb proti síle > konání práce energie - E schopnost konat práci kinetická energie E k ½ m v potenciální energie E p celková energie E E k + E p teplo Q předání neuspořádaného pohybu Q C T vede ke změně teploty Zákon zachování celkové energie (míček)
Teplota definice 0. zákon termodynamiky if T 1 T T T > T 1 T T1 T Statistická veličina závisející na pohybech částic Př. Slunce uvnitř fůze ~ 15 10 6 K povrch ~ 5 780 K koróna ~ 10 6 K (třináctkrát ionizované Fe) T
Celsiova teplota jednotka [t] 1 C 0 C je teplota rovnovážného stavu chemicky čisté vody a ledu za normálního tlaku 1015 Pa 100 C je teplota rovnovážného stavu chemicky čisté vody a její syté páry za normálního tlaku. A. Celsius ( 1701 1744 )
Termodynamická teplota jednotka [ T ] 1 K (Kelvin) 7,16 K je teplota rovnovážného stavu ledu, vody a syté páry trojný bod 1 K 1 C
Standardní podmínky SATP standardní teplota T Θ 5 C (98,15 K) standardní tlak p Θ 1 bar 10 5 Pa STP normální teplota - T 0 C (7,15 K) normální tlak - p 1 atm 1015 Pa
Stavové funkce Etenzivní (aditivní, záleží na velikosti systému) objem(v), celková energie(e), celkové množství částic(n), látkové množství(n), Intenzivní (Nejsou aditivní a nezávisí na látkovém množství) tlak(p), teplota(t), koncentrace(c,w,φ), hustota(ρ), molární objem(v m ), převod etenzivních na intenzivní molární (na jednotku látkového množství) měrné (na jednotku hmotnosti)
Stavové rovnice p f(n, V, T) Stavová rovnice ideálního plynu: p V n R T R - univerzální plynová konstanta R k B.N A 8,14 J K -1 mol -1
Kinetická teorie plynů snaží se vysvětlit makroskopické chování plynů na základě chování jednotlivých molekul Předpoklady: 1. plyn částice s náhodným pohybem. velikost částic << dráha mezi nárazy (V částic <<V nádoba ). žádná interakce (kromě pružných srážek) > veškerá energie je E k
Tlak plynu nárazy molekul do stěn nádoby síla odrazu od nádoby protože jsou pohyby v,y,z nezávislé a stejné V u m p V mu abc mu bc F S F p a mu t mu F ) ( u a t t u a mu mu, ) ( ( ) V Nmc P V mc V v m p V u u u m p z y + +
Střední kvadratická rychlost Nmc PV P c Ze vztahů pro tlak a V m pv c E E k k m v N E kt kt m k c NkT E m k pro stavovou rovnici ideálního plynu > Kinetická energie(e k ) i střední kvadratická rychlost (c) závisí na teplotě.
Mawellova distribuce rychlostí rychlost (velikost i směr) jednotlivých molekul se neustále mění, ALE rozdělení rychlostí na čase nezávisí, rychlost pohybu v trojrozměrném (D) prostoru lze rozložit na translační složky podle os, y, z Mawell (1860): Mv RT f v πv ( ) 4 M πrt e
Mawellova distribuce rychlostí dle T dle M r rychlost plynu ~ T nebo M r
E E k k 1 kt 1 kt Ekvipartiční princip - na směry translace,y,z - na 1 stupeň volnosti pohybu vždy ½kT celkový počet s.volnosti.n (počet atomů) C V /R pro atomovou molekulu A-B 1 0 Translace (posuv,y,z) Vibrace (vazba) Rotace (kolem vazby invariantní) 10 100 1000 10000 T [K] 7/ 5/ / 1/
Daltonův zákon a objemová kontrakce Daltonův zákon ideální plyny! součet parciálních tlaků všech složek se rovná celkovému tlaku směsi plynu. p p + p + p + K+ 1 p n Objemová kontrakce reálné plyny (interakce) kapaliny (rozdílné objemy molekul) p V kap p 1 V + m1 p 1 + p. n + V. n m + K+ p n
Shrnutí skupenské stavy s, l, g význam práce, teplo, energie definice teploty 0. zákon TMD stavové rovnice - p f(n,v,t) ideální plyn - pv nrt kinetický model plynů náhodné pohyby vedou k definici tlaku i teploty rychlost plynu ~ T nebo M r Daltonův zákon vz objemová kontrakce ekvipartiční princip