Základní poznatky molekulové fyziky a termodynamiky

Zpracoval: David Mayer, 4.A

Pojmy• termodynamika – vědní obor zkoumající

přeměny energie a tepelné děje• molekulová fyzika – zkoumá částicové

složení látek, jejich pohyb, síly, které mezi nimi působí– tepelné jevy

• výměna tepla mezi tělesy• tepelná roztažnost• změna skupenství

Tepelné jevy zkoumají dvě metody:Termodynamická metoda Statistická metoda

- Vychází z vnějšího pozorování (tlak, teplota, objem)

- Vychází z vnitřní struktury těles

- Nevíme nic o vnitřní struktuře zkoumaných těles

- Uvažujeme částicové složení tělesa

- Metoda se používá v oboru nazývaném termodynamika

- Metoda se používá v oborech molekulová fyzika a statická fyzika

- Historicky starší a jednodušší - Složitější a mnohem širší

Kinetická teorie látek• Tyto dvě metody nám poskytují dva různé

pohledy na stejnou věc. Základem molekulové a statistické fyziky je KINETICKÁ TEORIE LÁTEK

• Základem jsou tři experimentálně ověřené poznatky:

1) Látky kteréhokoli skupenství se skládají z částic

• částice (atomy, molekuly, ionty)

• nespojitá (diskrétní) struktura

• částice nelze pozorovat pouhým okem, používají se různé zobrazovací metody

2) Částice se v látkách neustále neuspořádaně pohybují

• vykonávají posuvný, otáčivý nebo kmitavý pohyb

• u tělesa, které je v klidu, nepřevládá žádný směr pohybu částic, každý směr je stejně pravděpodobný

• neustálý neuspořádaný pohyb se nazývá tepelný pohyb a je ve všech skupenstvích látek

Difúze• je samovolné pronikání částic látky z

prostředí se vyšší koncentrací do prostředí s nižší koncentrací

• probíhá velmi rychle u plynů, pomaleji u kapalin a velmi pomalu u pevných látek

• vysvětluje ji tepelný pohyb částic• při vyšší teplotě probíhá rychleji

Tlak plynu

• částice narážejí na stěny nádoby, což v nádobě vyvolává tlak

• základní rovnice pro tlak plynu:

Jak vzniká tlak v plynu? Jak tlačí například plyn na stěny balónku?

• Molekuly letící ke stěně balónku do ní narazí a odrazí se zpátky tím zatlačí na ⇒stěnu součtu těchto zatlačení říkáme ⇒tlak

• ⇒ Nárazy nejsou ani stejné ani pravidelné • Velké množství nárazů se zprůměruje, ale

přesto tlak kolísá

Brownův pohyb• je náhodný pohyb mikroskopických částic v

kapalném nebo plynném médiu 

• jeden z důkazů tepelného pohybu částic

• Pozorování pylových zrnek ve vodě

• pylové zrnko se nazývá Brownova částice– příčinou pohybu je narážení částic vody na zrnko

• tyto jevy a také tlak plynu dokazují, že se částice v látkách neustále neuspořádaně pohybují

3) Částice na sebe navzájem působí přitažlivými a odpudivými silami

• tyto síly jsou při malých vzdálenostech odpudivé a při větších přitažlivé

• původ sil je v elektrických silách• o existenci těchto sil vypovídají jevy jako

Soudržnost u pevných těles, nebo Přilnavost dvou dotýkajících se těles a Pevnost látek

Vzájemné působení částic Potenciální energie částic

• mezi částicemi působí odpudivé a přitažlivé elektrické síly

• Těmto silám se říká vazebné síly (chemické vazby). Tyto síly určují strukturu molekul. Proto máme molekuly dvouatomové (lineární), tříatomové (lineární, rovinné (trojúhelník)) a víceatomové.

• Z existence vzájemného působení mezi částicemi také vyplývá, že soustava částic má potenciální energii.

Modely struktur látek různých skupenství

• slouží k lepšímu chápání vlastností látek a dějů v nich probíhajících

– plynné látky

– pevné látky

– kapalné látky

Plynná látka• skládají se z jednoho nebo více atomů, mají různé tvary

a rozměry

• za normálních podmínek jsou vzdálenosti mezi molekulami přibližně 50x větší než velikosti molekul

• přitažlivé síly jsou zanedbatelné

• částice plynu konají tepelný pohyb, každý směr je stejně pravděpodobný a je ovlivněn srážkami mezi částicemi

• částice vykonávají všechny druhy pohybu, čím větší je teplota, tím je větší střední rychlost částic

• Ep << Ek

Pevná látka• částice jsou pravidelně uspořádané, tvoří krystalovou

strukturu

• vzájemné přitažlivé síly způsobují, že pevné látky mají svůj tvar a objem

• částice vykonávají kmitavý pohyb (chaoticky – výchylky jsou různé)

• výchylky od rovnovážných stavů částic se zvětšují s teplotou a jsou největší těsně před teplotou tání

• Ep > Ek

Kapalná látka• částice nejsou tak volné, jak částice plynu

• přitažlivé síly nejsou tak silné, aby kapaliny měly svůj stálý tvar, ale mají stálý objem

• působí-li na kapalinu vnější síla, dělí se přesuny částic kapaliny, proto je kapalina tekutá

• Ep = Ek

Pojmy a veličiny popisující soustavu částic

• atom– základní stavební částice všech látek– skládá se z jádra

• protonové číslo Z• neutronové číslo N• nukleonové číslo A

– a obalu• obal obsahuje elektrony e-

• prvek– chemicky čistá látka složená z atomů se stejným

protonovým číslem• nuklid

– látky z atomů jejichž jádra mají stejné protonové číslo, stejné neutronové číslo a tedy stejné nukleonové číslo

• Ar – relativní atomová hmotnost atomu prvku udává

kolikrát je hmotnost atomu prvku X větší než atomová hmotnostní konstanta (1/12 hmotnosti atomu nuklidu 12

6C, 1,661 x 10-27 kg)

u

ar mmA kg106605,1

121m 27

u cm

• Mm– molární hmotnost je hmotnost jednoho molu látky– je dána podílem hmotnosti látky m a látkového množství n

• Mr– Relativní molekulová hmotnost (též poměrná molekulová

hmotnost) – je podíl klidové hmotnosti molekuly a atomové hmotnostní

konstanty. Číselně je blízká nukleonovému číslu. • n

– látkové množství, charakterizuje množství částic v látce– základní jednotkou látkového množství je mol – vzorec látky má látkové množství 1 mol, obsahuje-li právě

tolik částic, kolik je atomů ve 12 g čistého atomu nuklidu 12

6C

M M 1mm

molkgnm

= A + A +... r1 r2M mmr

m

u

ANNn

• NA– Avogadrova konstanta udává počet částic

odpovídající látkovému množství 1 mol = 6,023 x1023 mol-1

• Vm– molární objem je objem 1 molu látky– jednotka: m3/mol

nVVm

Děkuji za pozornost!