Základní poznatky molekulové fyziky a termodynamiky

Kinetická energie látek:
1. – každá látka se skládá z částic (atomů, molekul, iontů)
– prostor, který těleso z dané látky zaujímá není vyplněn beze zbytku ? nespojitá (diskrétní) struktura
2. -částice se v látkách neustále a neuspořádaně pohybují
– u pohybu částic nepřevládá žádný směr, ani velikost rychlosti
– s rostoucí teplotou se rychlost částic zvětšuje
důkaz pohybu:
– difúze ? samovolné pronikání částic jedné látky mezi částice látky druhé
– osmóza ? jev podobný difúzi při němž jsou kapaliny odděleny polopropustnou přepážkou
– Brownův pohyb ? projev tepelného pohybu částic v látce
– neustálý a neuspořádaný pohyb částic
– tlak plynu v nádobě
3. – částice na sebe vzájemně působí silami, ty jsou při malých vzdálenostech odpudivé – malá stlačitelnost
kapalin a odpor pevných těles při jejich deformaci tlakem; při větších jsou přitažlivé – soudržnost, pevnost,
přilnavost
– při vzdálenosti r0 je síla, kterou na sebe částice působí 0 (vodík ? 0,074 nm, uhlík ? 0,155 nm)
– při velké vzdálenosti mezi částicemi je tato síla zanedbatelně malá – každá částice je přitahována jen
nejbližšími částicemi ve svém okolí
– síly, kterými na sebe působí atomy v molekule jsou vazebné síly a určují strukturu molekul(dvouatomová –
lineární; tříatomová, rovinná; víceatomová lineární, prostorová, rovinná)
– z existence vzájemného působení mezi částicemi vyplývá, že soustava částic tvořících těleso má potenciální
energii
– pro rovnovážnou polohu částic se tato energie nazývá vazebná energie
– vazebná energie je rovna práci, kterou by bylo třeba vykonat působením vnějších sil k rozrušení vazby mezi
částicemi

Modely struktur látek různého skupenství:
Plynná látka
– přitažlivé síly mezi částicemi jsou zanedbatelně malé, vzhledem k velké vzdálenosti mezi částicemi (vodík ?
3 nm)
– molekuly plynu vykonávají tepelný pohyb
– při srážkách nastává změna směru a velikosti rychlosti
– mezi srážkami je pohyb molekul přímočarý, rychlost je přímo úměrná teplotě
– pohyb molekul je posuvný, u víceatomových molekul též rotační a kmitavý
– Ek = Ek1 (molekul s posuvným + rotačním pohybem) + Ek2 (kmitajících atomů)
– Ek > Ep
Pevná látka
– pevné látky se dělí na krystalické (pravidelné krystalické uspořádání) a amorfní (složeny z částic s
nepravidelným uspořádáním; asfalt, vosk)
– krystalická pevná látka má pravidelné uspořádání částic (vzdálenosti mezi částicemi jsou 0,2?0,3 nm) – –
– vzájemné silové působení mezi částicemi je velké
– tělesa z pevné látky mají určitý tvar a objem, který je při stálé teplotě a bez působení vnějších sil stálý
– částice mají svou rovnovážnou polohu, kolem níž chaoticky kmitají
– okamžitá výchylka závisí na teplotě, jestliže se teplota blíží teplotě tání, jsou výchylky maximální
– Ek < Ep
Kapalná látka
– střední vzdálenost mezi molekulami je 0,2 nm
– vzájemné silové působení mezi částicemi je větší než u plynů, ale menší než u pevné látky
– molekuly kmitají kolem rovnovážných poloh, které se s časem mění
– při působení vnější síly na kapalinu se přesuny molekul dějí ve směru působení síly (tekutost kapaliny)
Plazma
– soustava iontů, volných elektronů a neutrálních částic
– při hodně vysoké teplotě je složena jen ze samostatných jader a elektronů; např. plamen, blesk, nitra hvězd
nebo při silném výboji v plynu

Rovnovážný stav soustavy a rovnovážný děj:
– zkoumaná tělesa tvoří termodynamickou soustavu
– soustavu charakterizují stavové veličiny (teplota, tlak, objem, ?)
– v izolované soustavě nedochází k výměně energie ani částic mezi soustavou a okolím; mohou probíhat děje
mezi částicemi tvořícími soustavu
– adiabaticky izolovaná – nedochází k tepelné výměně s okolím
– každá soustava přejde samovolně do rovnovážného stavu (stavové veličiny jsou konstantní), v němž setrvá,
pokud zůstanou zachovány vnější podmínky.
– rovnovážný děj je řada na sebe navazujících rovnovážných stavů – pomalé stlačování plynu ve válci

Teplota a její měření:
– tělesům, která jsou při vzájemném dotyku v rovnovážném stavu přiřazujeme stejnou teplotu
Teploměr:
– těleso pro srovnávání (měření) teplot těles
– kapalinové teploměry rtuťový (od ?30° do 300°C), etanolový teploměr (?110° až 70°C) – teplotní stupnice jsou
závislé na použité teploměrné látce a na veličině zvolené pro sledování teploty (tlak, objem)
– plynové
– bimetalové
– odporové
– termoelektrické
– radiační
– teplotní stupnice jsou závislé na použité teploměrné látce a na veličině zvolené pro sledování teploty (tlak,
objem)
Celsiova teplotní stupnice: ( )
– má dva základní body ? rovnovážný stav soustavy led+voda za normálního tlaku (0°)
– rovnovážný stav soustavy voda+sytá vodní pára za normálního tlaku (100°)
Termodynamická teplotní stupnice: ( )
– je nezávislá na náplni teploměru
– zavedena na základě poznatků termodynamiky o účinnosti tepelných strojů
– má jeden základní bod ? trojný bod ? rovnovážný stav led+voda+sytá vodní pára (273,16 K)
– 1 kelvin je termodynamické teploty trojného bodu vody
– nejnižší teplota je 0 K = absolutní nula – počátek termodynamické teplotní stupnice; nelze ji dosáhnout
– převod mezi stupnicemi: ,
Plynový teploměr
– tvořen nádobou naplněnou plynem spojenou trubicí s otevřeným
kapalinovým manometrem; jedno rameno manometru je volně pohyblivé ve
svislém směru, aby se udržoval stálý objem plynu
, a proto ,
– kde pr je tlak a Tr je teplota trojného bodu vody
– plynový teploměr má rozsah od 1 do 1500 K

Vnitřní energie tělesa:
– vnitřní energie (U) tělesa je tvořena celkovou kinetickou energií neuspořádaně se pohybujících částic (molekul
atomů, iontů) a celkovou potenciální energií vzájemné polohy těchto částic
– změna vnitřní energii tělesa konáním práce – stlačení, rozpínání plynů, ohýbaní drátu, nepružný náraz,
tření (částice ležící na styčných plochách se vzájemnými nárazy více rozkmitají a předávají část své energie
dalším částicím – zvýšení teploty i vnitřní energie obou těles

U1 U2 F

s
∆U = U2 – U1 = W
– při posunutí pístu o vzdálenost s vykoná působící síla o velikosti F mechanickou práci W = Fs
– o stejnou hodnotu ∆U (∆U > 0) vzroste vnitřní energie plynu
∆U = W
– těleso se pohybuje po vodorovné podložce rychlostí v1 – těleso se zastaví, třecí síla vykoná práci W = Fts, která
se rovná úbytku kinetické energie tělesa Ek=mv12 /2; o stejnou hodnotu U vzroste vnitřní energie tělesa i
podložky U = |Ek?????| = W
– těleso se pohybuje po nakloněné rovině U = mgh – mv2 /2

– změna vnitřní energii tělesa tepelnou výměnou – neuspořádaně se pohybující částice teplejšího tělesa narážejí
na částice dotýkajícího se studenějšího tělesa a předávají jim část své kinetické energie
– tepelná výměna probíhá tak dlouho dokud obě dvě tělesa nejsou v rovnovážném stavu (stejná teplota) a
přírůstek vnitřní energie jednoho tělesa se rovná úbytku vnitřní energie druhého tělesa

– Q – teplo – určeno energií, kterou při tepelné výměně odevzdá teplejší těleso studenějšímu
– [Q] = J (joule)

Tepelná kapacita:
– udává schopnost tělesa přijímat nebo odevzdávat telo
– množství tepla potřebné ke zvýšení teploty tělesa o 1 K

Měrná tepelná kapacita:
– udává teplo, které přijme těleso o hmotnosti 1kg a zvýší svoji teplotu o 1 K
– měrná tepelná kapacita je charakteristická pro každou látku (voda ? 4180 Jkg?1K?1, kovy ? malá)

Teplo:
– přímo úměrné hmotnosti tělesa a přírůstku teploty ( pro chemicky stejnorodé těleso)

Kalorimetrická rovnice:
? teplo odevzdané je rovno teplu přijatému
– kalorimetr je tepelně izolovaná nádoba s míchačkou a teploměrem; v průběhu tepelné výměny v kalorimetru se
mění i teplota kalorimetru, míchačky a teploměru
, kde Ck je tepelná kapacita kalorimetru

První termodynamický zákon:
– přírůstek vnitřní energie soustavy ∆U je roven součtu práce W vykonané okolními tělesy působícími na
soustavu silami a tepla Q odevzdaného okolními tělesy soustavě

– soustava přijímá energii – W a Q kladné veličiny
– soustava odevzdává energii – W a Q záporné veličiny
– vnitřní energie soustavy se zvětšila – U kladná
– vnitřní energie soustavy se zmenšila – U záporná
Q = 0 U = W – adiabatický děj – neprobíhá tepelná výměna
W = 0 U = Q
– W – práce vykonaná okolními tělesy působícími na soustavu silami po určité dráze
– W´ – práce vykonaná soustavou působící na okolní tělesa stejně velkou silou opačného směru po stejné dráze

Přenos vnitřní energie:
Vedením
– energie přechází uvnitř tělesa z míst s vyšší teplotou do míst s nižší teplotou
– v kovech pomocí elektronů; v nekovech pomocí částic, které svým kmitáním předávají část své energie dalším
částicím v chladnější části tělesa
– největší tepelnou vodivost mají kovy, malou voda, nejmenší plyny
Zářením
– vyzařováním a pohlcováním tepelného záření
– vnitřní energie tělesa, které vysílá záření, se zmenší o vyzářenou energii
– při dopadu záření na těleso se část energie odrazí, část prochází a část se pohltí a vnitřní energie se zvětší o
pohlcenou energii záření
Prouděním
– při zahřívání kapaliny v tíhovém poli zdola
– chladnější kapalina má větší hustotu, klesá dolů a vytlačuje teplejší kapalinu nahoru
– proudící kapalina přenáší energii z teplejších míst do chladnějších