Molekulová fyzika

Základní charakteristika látek

Skupenství: Pevné, kapalné, plynné

Plyny

Pohyb částic – kmitavý, rotační, posuvný

Mezery jsou větší, než rozměry molekul (řádově 10−9 m10^{-9} \space \text{m})

Potenciální energie částic je menší než kinetická energie částic

Plazma (4. skupenství) = vysoce ionizovaný plyn – např. oheň

Kapaliny

Pohyb částic – kmitavý, rotační, posuvný; Molekula vždy na velmi krátký čas zaujímá rovnovážnou polohu, ta se s časem mění

Mezery mezi molekulami jsou srovnatelné s rozměry molekul

Potenciální energie je srovnatelná s kinetickou energií částic

Pevné látky

Částice jsou uspořádány do nějaké struktury

Pohyb částic – pouze kmitavý

Mezery jsou menší, než rozměry molekul

Potenciální energie je větší než kinetická energie částic

Termodynamické soustavy

Např.: Vzduch uzavřený v místnosti, ledový čaj uzavřený v lahvi, písek v sáčku, kostka ledu

Typy

  1. TS izolovaná – neizolovaná:

    Zajímá nás výměna částic i energie

    U izolované soustavy nedochází k výměně částic ani energie s okolím – např. horký čaj v termosce

    U neizolované soustavy dochází k výměně částic i energie

  2. TS otevřená – uzavřená:

    Zajímá nás pouze výměna částic

    U otevřené soustavy dochází k výměně částic

    U uzavřené soustavy nedochází k výměně částic

  3. TS adiabaticky izolovaná:

    Zajímá nás pouze výměna energie

    Nedochází k výměně energie

Rovnovážný stav TS = stav, ve kterém neexistují žádné makroskopické děje/změny a všechny stavové veličiny mají konstantní hodnotu

Stavové veličiny popisují stav TS, patří mezi ně V,t,p,EV, t, p, E

Vratný děj = děj, který probíhá tam i zpátky, soustava se vrací do stejných počátečních podmínek

Nevratný děj = děj, který nemůže proběhnout zpět

Rovnovážný děj = děj, při kterém je TS v každém okamžiku ve stavu termodynamické rovnováhy

Reálné děje probíhající pomalu se blíží rovnovážným dějům

Teplota

Tělesům, která jsou v rovnovážném stavu, přiřazujeme stejnou teplotu →\to princip fungování teploměru

Typy teploměrů

  • Kapalinový (např. rtuťový) – rozpínání kapaliny při zahřátí

  • Infračervený – tělesa vyzařují infračervené/tepelné záření

  • Bimetalový – funguje díky různé roztažnosti 2 kovů

  • Galileův teploměr – Archimédův zákon

  • Odporový – elektrický odpor závisí na teplotě – termistory = polovodičové součástky, které měří teplotu

Teplotní stupnice

  • Celsiova:

    Značka: tt

    2 významné body – bod tání (0 °C0 \space °\text{C}) a bod varu (100 °C100 \space °\text{C}) vody za normálního tlaku

  • Termodynamická:

    Značka: TT

    1 významný bod – tzv. trojný bod (273.16 K=0 °C273.16 \space \text{K} = 0 \space °\text{C}) vody = teplota, při které jsou všechna 3 skupenství v rovnováze při tlaku 610 Pa610 \space \text{Pa}

    0 °C=273.15 K100 °C=373.15 K\begin{align*} 0 \space °\text{C} &= 273.15 \space \text{K} \\ 100 \space °\text{C} &= 373.15 \space \text{K} \end{align*}

    0 K=−273.15 °C0 \space \text{K} = -273.15 \space °\text{C} ... absolutní nula

    Třetí termodynamický zákon říká, že absolutní nuly nelze dosáhnout

    Rozdíl v Celsiově stupnici je stejný jako rozdíl v termodynamické stupnici

    Δt=ΔT\Delta t = \Delta T

Vnitřní energie

U=Ekcˇ+Epcˇ+...[U]=J\begin{align*} U &= E_{kč} + E_{pč} + ... \\[0.5em] [U] &= \text{J} \end{align*}

EkcˇE_{kč} ... kinetická energie částic

EpcˇE_{pč} ... potenciální energie částic

Je velmi těžké ji spočítat →\to můžeme spočítat jen změnu vnitřní energie

1. Termodynamický zákon

Přírůstek vnitřní energie termodynamické soustavy se rovná součtu práce vykonané okolními tělesy působícími na soustavu silami a tepla odevzdaného okolními tělesy soustavě

ΔU=W+Q\Delta U = W + Q

ΔU>0,W>0,Q>0→\Delta U > 0, W > 0, Q > 0 \to TS přijímá teplo

ΔU<0,W<0,Q<0→\Delta U < 0, W < 0, Q < 0 \to TS odevzdává teplo

Změna vnitřní energie

  • Konání mechanické práce – např. tření rukou, zamíchání pití, skok (tíhová síla koná práci)

  • Tepelná výměna

  • Oba děje současně

Změna vnitřní energie konáním práce

Např. změna rychlosti, tření, změna polohové energie, ...

ΔU=W=F⋅sΔU=W=ΔEk=ΔEp=ΔEc\begin{align*} \Delta U &= W = F \cdot s \\ \Delta U &= W = \Delta E_k = \Delta E_p = \Delta E_c \end{align*}

Zákon zachování energie

Celková energie izolované soustavy je stálá, dochází jen k přeměnám jedné energie na jiné (jen potenciální, kinetické, nebo vnitřní)

Ec=Ek+Ep+U=konst.E_c = E_k + E_p + U = \text{konst.}

Změna vnitřní energie výměnou tepla

Tepelná výměna: prouděním, tepelným vedením, zářením

Teplo

ΔU=QQ=m⋅c⋅ΔT[c]=J⋅kg−1⋅K−1\begin{align*} \Delta U &= Q \\ Q &= m \cdot c \cdot \Delta T \\ [c] &= \text{J} \cdot \text{kg}^{-1} \cdot \text{K}^{-1} \end{align*}

cc ... měrná tepelná kapacita látky – udává, kolik tepla/energie je potřeba ke změně teploty 1 kg1 \ \text{kg} látky o 1 K1 \ \text{K}

Tepelná kapacita

C=m⋅c  ⟹  Q=C⋅ΔT[C]=J⋅K−1\begin{align*} C &= m \cdot c \\ \implies Q &= C \cdot \Delta T \\[0.5em] [C] &= \text{J} \cdot \text{K}^{-1} \end{align*}

CC ... tepelná kapacita tělesa – udává teplo, které je potřeba dodat/odebrat tělesu, aby se jeho teplota změnila o 1 K1 \ \text{K}

Tepelná výměna vedením

Látky rozdělujeme na tepelné vodiče (např. kovy) a tepelné izolanty (např. plyny, kapaliny – obzvláště voda, plasty, dřevo, guma)

Různé kovy různě vedou teplo

Tepelná výměna prouděním

U plynů a kapalin

S rostoucí teplotou klesá hustota →\to kapaliny a plyny stoupají vzhůru

Teplejší kapalina/plyn proudí směrem nahoru, studenější směrem dolů

Tepelná výměna zářením

Na těleso dopadá infračervené/tepelné záření →\to jeho pohlcováním se zvyšuje teplota

Nejvíce tepla pohlcuje tmavé a drsné těleso, nejméně světlé, lesklé a hladké těleso

Kalorimetrická rovnice

Při tepelné výměně je teplo odevzdané jedním tělesem stejné jako teplo přijaté druhým tělesem

= Zákon zachování energie při tepelné výměně

Q1=Q2m1c1⋅(tv−t1)=m2c2⋅(t2−tv)\begin{align*} Q_1 &= Q_2 \\ m_1 c_1 \cdot (t_v - t_1) &= m_2 c_2 \cdot (t_2 - t_v) \end{align*}

Q1Q_1 ... teplo přijaté →tv>t1\to t_v > t_1

Q2Q_2 ... teplo odevzdané →tv<t2\to t_v < t_2