Fázové změny

1. Fázové přechody 1. druhu = změny skupenství

2. Změna krystalické struktury = polymorfismus

3. Fázové přechody 2. druhu = supravodivost, supratekutost, magnetická přeměna, ...

Fáze = část termodynamické soustavy, která je ostře ohraničená od okolí

Fázový diagram:

Pouze u vody, bismutu a liteřiny směřuje křivka tání od trojného bodu doleva

4. skupenství

= Plasma / Bose-Einsteinův kondenzát

Ve vesmíru nejvíc zastoupené skupenství

Je to vysoce ionizovaný plyn

Termodynamické potenciály

Matematicky funkce, extrém této funkce je podmínka rovnováhy soustavy

• $F$ – Volná energie a vázaná energie
• $G$ – Gibbsův potenciál (také volná entalpie či Gibbsova energie)
• $H$ – Entalpie = teplo přijaté za konstantního tlaku – význam při popisu tepelných strojů
• $S$ – Entropie = míra neuspořádanosti systému – 2. a 3. TD zákon

Všechny samovolné procesy ve vesmíru probíhají tak, že míra neuspořádanosti roste

Termodynamické zákony

0. termodynamický zákon

1. termodynamický zákon

2. termodynamický zákon

Existuje několik správných formulací – např.:

• Není možné sestrojit tepelný periodicky pracující stroj, který by přijímal teplo od ohřívače a konal stejně velkou práci.

• Nelze sestrojit perpetuum mobile druhého druhu.

• Chladnější těleso nemůže samovolně dodávat teplo teplejšímu tělesu.

3. termodynamický zákon

Při teplotě $0 \ \text{K}$ je entropie látky nulová.

Polymorfismus

Existují 2 možnosti, jak změnit krystalickou strukturu

1. možnost

Látka přechází z jedné modifikace do druhé za přesně daných podmínek (obvykle teplota a tlak):

Např. cínový mor = samovolný fyzikální proces, při kterém se kovový cín mění na práškovou šedou formu (= rekrystalizace) – není to oxidace

2. možnost

Látka vytváří více modifikací, nejpodstatnější jsou podmínky při krystalizaci

Např. uhlík:

• Tuha – anizotropní látka složená z šesterečných vrstev spojených van der Waalsovými můstky
• Diamant – každá plocha má jinou barvu, má velmi dobrou tepelnou vodivost
• Fulleren – struktura ve tvaru fotbalového míče
• Grafen – nejlepší vodič
• Saze – amorfní

Např. fosfor:

• Bílý:

  Molekuly $\text{P}_4$

  Měkký, nerozpustný ve vodě (ale v sirouhlíku ano)

  Jedovatý, samozápalný $\to$ využití: vojenství, farmacie, hubení hlodavců

• Červený:

  Tvoří řetězce a sítě

  Nerozpustný ve vodě i v sirouhlíku

  Není jedovatý, málo reaktivní $\to$ využití: zápalky

• Černý:

  Vede elektrický proud i teplo

  Vzniká zahříváním pod tlakem (z bílého přes $200 \ °\text{C}$ nebo z červeného přes $400 \ °\text{C}$)

  Velmi stálý, připomíná kovy

Levotočivost / Pravotočivost

1 chemická látka, 1 fáze, přesto 2 substance

Např. citrus – smola; máta – kmín

Farmacie – výrobci musí vyrobit a zaručit nejen danou molekulu, ale i správnou formu

Molekuly cukru jsou pravotočivé, aminokyseliny jsou levotočivé

Magnetická přeměna

V okolí vodiče s proudem vzniká magnetické pole

Dělení látek podle velikosti magnetického momentu:

1. Diamagnetické látky ($\chi < 0$)
2. Paramagnetické látky ($\chi$ od $10^{-5}$ do $10^{-2}$)
3. Feromagnetické látky ($\chi$ do $10^5$)

Diamagnetické látky mají diamagnetické atomy

Paramagnetické i feromagnetické látky mají feromagnetické atomy, liší se uspořádáním

Feromagnetismus vykazují pouze pevné látky

Curieho teplota = teplota, nad kterou se z feromagnetické látky stává látka paramagnetická a klesá měrná tepelná kapacita

Supratekutost

Pozorována pouze u kapalného helia

= Skokové snížení vnitřního tření (viskozity)

Na nádobě se vytvoří tzv. heliový film – tloušťka 1 až 2 atomy

Izotopy helia

• ${}^4\text{He}$:

  Označujeme $\text{He} \ \text{I}$ (tekuté helium) a $\text{He} \ \text{II}$ (supratekuté helium)

  Supratekutost se objevuje při $T < 2{,}17 \ \text{K}$

• ${}^3\text{He}$

  Supratekutost při $T < 0{,}0025 \ \text{K}$

Lambda bod = teplota, při které skokově klesá měrná tepelná kapacita – v okolí zleva i zprava roste do nekonečna

Fázový diagram helia 4:

Fázový diagram helia 3:

Supravodivost

Objev supravodivosti souvisí s objevem supratekutosti

Pouze u pevných látek

Dochází ke skokovému snížení měrného elektrického odporu téměř na nulu

K tomuto skoku dochází při charakteristické teplotě – Curieova teplota

Z fermionů se stávají bosony

Fermiony umí vytvářet strukturu – např. protony ($\text{p}^+$), neutrony ($\text{n}^0$), elektrony ($\text{e}^-$) – neexistují 2 částice se stejnou energií (liší se spinem), mají poločíselný spin

Bosony neumí vytvářet strukturu – např. fotony, leptony – všechny částice mají stejnou energii, mají celočíselný spin

Další příklad supravodivé látky: $\text{YBaCuO}$ (není to molekula, ale směs prvků)

Dělení supravodivosti podle teploty:

1. Nízkoteplotní:

   Velmi neekonomické a ne vždy proveditelné

2. Vysokoteplotní:

   Objevena 1986 IBM v Curychu

   Některé nekovové materiály mají kritickou hodnotu řádově okolo $70$ až $90 \ \text{K}$

Dělení supravodivosti podle složení:

1. Supravodiče typu I:

   Čisté prvky bez příměsí

2. Supravodiče typu II (tvrdé supravodiče):

   Slitiny a sloučeniny kovů, nejčastěji oxidy