Základní pojmy kinematické teorie látek a molekulové fyziky

Základní pojmy kinematické teorie látek a molekulové fyziky

veličiny molekulové fyziky, kinetická teorie stavby látek, vazby, termodynamická
soustava, rovnovážný stav, teplota, teplotní stupnice

Molekulová fyzika zkoumá vlastnosti látek na základě jejich vnitřní struktury, neustáleného pohybu a vzájemného působení obrovského počtu částic, z nichž se látky skládají. Základem molekulové fyziky je kinematická teorie látek. Molekulová fyzika využívá kromě poznatků z jiných částí fyziky taky poznatky z teorie pravděpodobnosti a matematické statistiky => metoda zkoumání mol. fyziky se nazývá statistická metoda. Někdy při zkoumaní neuvažujeme částicové složení látek z molekul, atomů, iontů. Např. při studiu tepelných jevů, jako je změna teploty, teplotní roztažnost, vodivost, změny skupenství. Tyto jevy jen popisujeme vhodnými veličinami, měříme je při experimentech a hledáme závislosti mezi nimi s využitím zákona zachování a přeměny energie. To se nazývá termodynamická metoda. Užívání této metody dalo vznik vědnímu oboru termodynamika. Historicky vznikla termodynamika z termiky, která se zabývá také měřením teploty a tepla.

Kinetická teorie látek
Je to teorie objasňující strukturu a vlastnosti látek pohybem a vzáj. působením atomů, molekul a iontů, z nichž se látky skládají. Základem jsou 3 experimentálně ověřené poznatky:
1. Látky kteréhokoli skupenství se skládají z částic(mol., atomů, iontů). Mezi částicemi jsou mezery. Mluvíme o nespojité (diskrétní) struktuře látky.
2. Částice se neustále a neuspořádaně (chaoticky) pohybují. Tzv. tepelný pohyb.
3. Částice na sebe navzájem působí silami. Při malých vzd. odpudivě a při velkých přitažlivě. Síly jsou elektromagnetické povahy (elmag. interakce)
Zobrazovací technika nás přesvědčuje o reálné existenci částic a také se zjistilo, že jejich rozměry
jsou řádově 10-10m = 0,1 nm což souhlasí s teoretickými výpočty. O tepelném pohybu částic v látkách svědčí mnohé jevy, např. difuze, transfuze, osmóza, Brownův pohyb.
Difuze
Je to samovolné pronikání částic jedné látky mezi částice látky druhé, jsou-li tyto látky uvedeny do vzájemného styku. Probíhá nejrychleji u plynů, pomaleji u kapalin a velmi pomalu u pevných látek. Při vyšší teplotě pozorujeme rychlejší průběh difuze => při vyšší teplotě se částice pohybují rychleji.
Transfuze
Difuze dvou různých plynů pórovitými stěnami a blánami, jež oddělují difundující plyny, se nazývá transfuze. Každý plyn prostupuje stěnou s jinou rychlostí.
Osmóza
Difuze kapalin přes polopropustnou překážku(biolog. membrána, pergamen). Velmi důležitý proces v živých organismech a rostlinách. Např. buněčná blána obsahující plazmu živé b. propouští molekuly různých l. potřebných k výživě b., ale molekuly bílkovin nepropouští.
Brownův pohyb
Nepřetržitý a chaotický pohyb částic vznášejících se v tekutinách. Částice jsou o průměru několik mikrometrů a nazývají se Brownovy částice. Jejich pohyby jsou vzájemně nezávislé. Rychlost pohybu Br.č. vzrůstá s teplotou tekutiny, se zmenšováním její viskozity a se zmenšováním rozměrů těchto částic. Br.p. vysvětlujeme jako důsledek tepelného pohybu molekul tekutiny, v níž se Br.č. nachází. Molekuly tekutiny na Br.č narážejí a působí na ni tlakovou silou. Protože obsah povrchu Br.č. je velmi malý(10-12 m2), může na ni současně působit pouze malý počet molekul tekutiny. K vychýlení pak stačí malá nerovnoměrnost v rozdělení nárazů molekul působících na její povrch. V každém okamžiku působí na Br.č. výsledná tlaková síla různá od nuly. Tím Br.č. vykonává nepravidelné posuvné a otáčivé pohyby, za neustále se měnící rychlosti. Při vyšší teplotě roste střední rychlost Br.č. a tedy i molekuly tekutiny se musí pohybovat rychleji. Teorii Br.p. vypracovali r.1905 M.Smoluchowski a A.Einstein. Experimentálně ji potvrdil J.B.Perrin
Vzájemné působení částic
Nejen částice téže látky na sebe navzájem působí odpudivými a přitažlivými silami. Stejně je tomu tak i u částic různých látek.(např. při odtržení skleničky od povrchu vody je nutné překonat přilnavost molekul vody a skla) Síly mezi částicemi nelze bezprostředně měřit a tak se využívá různých teoretických úvah a složitých výpočtů. Nejjednodušší je interakce mezi dvěma částicemi(s kladným jádrem obklopeným elektrony). Výsledkem přibližování částic je vznik přitažlivé a odpudivé elektrické síly. Platí:

1. Při určité vzd. r0 je mezi částicemi nulová síla. Obě částice jsou navzájem v rovnovážné poloze.
2. Když r > r0 je síla přitažlivá. S rostoucí vzd. se účinek přitažlivé síly rychle zmenšuje. Proto říkáme, že každá částice je přitahována jen nejbližšími částicemi ve svém okolí. Toto okolí znázorňujeme myšlenou koulí zvanou sféra vzájemného působení s poloměrem rm
3. Ve vzd. r < r0 působí mezi částicemi odpudivá síla, která velmi rychle roste se zmenšující se vzdáleností.
Síly, jimiž na sebe působí atomy v molekule jsou síly vazebné.

Z existence vzájemného působení mezi částicemi vyplývá, že soustava částic tvořící těleso má potenciální energii.
Pro rovnovážnou polohu se nazývá vazebná energie.

Modely struktur látek různého skupenství

Plynná látka ? molekuly plynu se skládají z jednoho nebo několika atomů, mají různé tvary a rozměry. Za normálních podmínek(T-0oC a P-101,325 kPa) jsou střední vzd. mezi molekulami plynu hodně hodně velké ve srovnání s rozměry molekul. Molekuly plynu vykonávají tepelný pohyb různými směry a různými rychlostmi. Změna směru a rychlosti nastává vzájemnými srážkami a srážkami se stěny nádoby. Díky velké odpudivé síle se vlastně nikdy úplně nesrazí, ale jen vychýlí. Mezi srážkami se pohybují přibližně přímočarým rovnoměrným pohybem a čím vyšší je teplota, tím rychleji se pohybují. Celková kinetická en. Ek soustavy molekul plynu je rovna součtu kin.energií atomů v molekulách. Jelikož mol. plynu na sebe působí velmi malými silami je celková potenciální energie vždy značně menší než celková kinetická energie částic téhož plynu stejné hmotnosti.
Pevná látka – většina pevných látek má pravidelně uspořádané částice, které vytvářejí krystalovou strukturu. Některé však ne, jsou to tzv. amorfní látky(sklo, asfalt, kaučuk, termoplasty). Střední vzd. mezi částicemi pevných látek jsou asi 0,2 ? 0,3 nm. Díky vzájemným přitažlivým silám částic vytváří pevné látky tělesa určitého tvaru a objemu. Nemění-li se teplota a nepůsobí-li na ně vnější síly, tento tvar si zachovávají. Částice pevné látky vykonávají kolem svých rovnovážných poloh kmitavé neuspořádané pohyby o různých výchylkách. Čím větší teplota, tím větší výchylky. Těsně před teplotou tání jsou tyto výchylky největší(asi 1/6 vzájemné vzd. částic). Celková potenciální energie soustavy částic pevného tělesa je větší než celková kinetická energie těchto částic.
Kapalná látka ? molekuly nejsou tak pohyblivé, jako u plynu. Střední vzd. je asi 0,2 nm. Vzájemné působení molekul není tak silné, aby molekuly byly vázány na stejné rovnovážné polohy. Každá molekula v silovém poli sousedních molekul kmitá kolem rovnovážné polohy, která se časem mění. Molekula si buď mění místo s jinou molekulou, nebo se může protlačit mezi sousedy. Působí-li na kapalinu vnější síla, přesunují se molekuly ve směru této síly. Proto je tekutá a nezachovává tvar. U kapaliny daného objemu je celková potenciální energie soustavy částic srovnatelná s jejich celkovou kinetickou energií.
Plazma ? 4.skupenství látky. Soustava el. nabitých částic(iontů, volných el.) a neutrálních částic. Při dostatečně vysoké teplotě to může být i jen z volných atomových jader a el. energie (blesk, plamen). Jinou formou je plazma mezihvězdného prostoru a plazma hvězd.

Veličiny popisující soustavu částic

Relativní (poměrná) atomová hmotnost Ar je definována vztahem , kde ma je klidová
hmotnost atomu a mu je atomová hmotnostní konstanta.
Ta je definována jako 1/12 klidové hmotnosti atomu nuklidu uhlíku 6C12 Přibližná hodnota této konstanty je mu = 1,66 . 10 ?27 kg
Známe-li hodnotu Ar pro daný prvek, můžeme vyjádřit klidovou hmotnost atomu vztahem
ma = Ar mu
Relativní molekulová hmotnost Mr je definována vztahem , kde mm je klidová hmotnost molekuly.
Z definice vyplývá, že relativní molekulová hmotnost je rovna součtu relativních atomových hmotností atomů, které vytvářejí molekulu. Klidová hm. molekuly je mm = Mr mu

Avogardova konstanta NA je základní fyzikální konstanta, jejíž číselná hodnota udává :
1. počet atomů v nuklidu uhlíku 6C12 o hmotnosti 0,012 kg
2. počet částic v chemicky stejnorodém tělese o látkovém množství jeden mol
NA = 6,02 . 10 ?25 kg
Látkové množství n soustavy částic je rovno podílu počtu částic N této soustavy a Avogardovy konstanty NA
Jednotkou látkového množství je mol

Molární hmotnost Mm je definována vztahem , kde m je hmotnost tělesa z chemicky stejnorodé látky a n je odpovídající látkové množství. Jednotkou Mm je kg . mol-1. Také se používá dílčí jednotka g . mol?1 a násobná j. kg . mol?1 . Lze ji vyjádřit i vztahy

popř.
Molární objem Vm tělesa z chemicky stejnorodé látky za daného tlaku a teploty je definován vztahem , jednotkou je m3 . mol ?1

Za normálních fyz. podmínek(0oC; 101,325kPa) se molární objem u plynů nazývá normální molární objem Vm n a je pro všechny plyny stejný. Tato konst. je
Vm = 22,414 . 10 ?3 m3 = 22,414 l . mol ?1
Je-li v tělese objemu V obsaženo N částic, pak veličina definovaná vztahem

se nazývá hustota částic¨- Nv. Hlavní jednotkou je m ?3

Rovnovážný stav soustavy a rovnovážný děj
Zkoumaná tělesa mohou mít různé teploty, tlak, objem, uspořádání částic. Mohou se ale také nacházet v různém skupenství. Ve všech těchto případech říkáme, že se nachází v různých stavech.
Pro těleso nebo skupinu těles, jejichž stav zkoumáme, používáme název termodynamická soustava, nebo jen soustava. Soustavou je např. plyn ve válci, voda a její pára v láhvi atd.
Termodynamická soustav může být:
izolovaná, jestliže u ní nedochází k výměně energie, částic s okolím konáním práce nebo tepelnou výměnou
neizolovaná, když u ní dochází k výměně energie nebo částic konáním práce nebo tepelné výměně.
uzavřená, nedochází-li k výměně částic mezi soustavou a okolím
adiabaticky izolovaná, když nedochází k tepelné výměně s okolím
Veličiny charakterizující stav soustavy jsou stavové veličiny(teplota, tlak, objem…)
Při interakci soustavy s okolím dochází k stavové změně soustavy. Soustava přechází z daného
počátečního stavu do výsledného (konečného) stavu.
Každá soustava, která je od určitého okamžiku v neměnných vnějších podmínkách, přejde samovolně po určité době do rovnovážného stavu. V tomto stavu setrvává, pokud zůstanou tyto podmínky zachovány.
V rovnovážném stavu zůstávají stavové veličiny konstantní. Soustava je také v mechanické
rovnováze.
Probíhá-li určitý děj tak, že soustava během něj prochází řadou na sebe navazujících rovnovážných
stavů, pak tento děj nazýváme rovnovážný děj. Reálný děj je možné považovat za rovnovážný pouze jestliže probíhá dostatečně pomalu.
Skutečné děje jsou ale většinou nerovnovážné, např. rychlé stačení plynu apod.
Rovnovážné děje, které proběhnou v jednom směru a pak ve směru opačném, čímž se dostanou do
původního stavu nazýváme vratné děje. Vratné děje jsou ale pouze ideálními, jimž se skutečné mohou přiblížit pouze probíhají-li dostatečně pomalu.
Všechny skutečné děje jsou však nevratné. V jednom směru probíhají samovolně a k ději opačnému je potřeba dodat určitou energii z vnějšího zdroje.