12. Základní poznatky molekulové fyziky a termodynamiky Zpracoval: Jakub Kuřátko

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:

a) Látky kteréhokoli skupenství se skládají z částic částice (atomy, molekuly, ionty) prostor mezi částicemi není vyplněn, mluvíme tedy o nespojité (diskrétní) struktuře částice nelze pozorovat pouhým okem, používají se různé zobrazovací metody (elektronový mikroskop, iontový emisní projektor)

b) Částice se v látkách neustále neuspořádaně pohybují vykonávají posuvný, otáčivý nebo kmitavý pohyb (nebo všechny najednou) 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 jedné látky mezi částice druhé, jsou-li tělesa z těchto látek uvedena do vzájemného styku. probíhá velmi rychle u plynů, pomaleji u kapalin a velmi pomalu u pevných látek vysvětluje ji tepelný pohyb částic (příčinou je tlak v látkách) při vyšší teplotě probíhá rychleji

Tlak plynu částice narážejí na stěny nádoby, což v nádobě vyvolává tlak tlak plynu v nádobě difúze v praxi

Brownův pohyb jeden z důkazů tepelného pohybu částic podle anglického botanika R. Browna, který pozoroval neustálý neuspořádaný pohyb pylových zrnek ve vodě pylové zrnko se nazývá Brownova částice (obsah 10-12 m2) příčinou pohybu je narážení částic vody na zrnko tyto jevy a také tlak plynu a osmóza dokazují, že se částice v látkách neustále neuspořádaně pohybují

c) 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 (působí na sebe elektronové obaly a jádra částic) důkaz: při stlačování cítíme odporovou sílu, naopak při prodlužování cítíme sílu, která zabraňuje dalšímu prodlužování 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. vazebná energie je rovna práci, která by se musela vykonat k rozbití vazby

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 (srážka = částice se k sobě přiblíží natolik, že začne působit odpudivá síla a změní směr a rychlost pohybu obou částic) 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 (amorfní nemají pravidelnou strukturu) střední vzdálenosti mezi částicemi jsou asi 0,2 nm, vzájemné přitažlivé síly způsobují, že pevné látky mají svůj tvar a objem (nepůsobí-li změna teploty nebo vnější síla) 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 střední vzdálenost molekul je asi 0,2 nm, 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 protony p+, částice s kladným nábojem jejichž počet v jádře udává protonové číslo Z neutrony n0, částice bez náboje jejichž počet v jádře udává neutronové číslo N protony a neutrony se nazývají nukleony, jejich počet v jádře udává 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 126C, 1,661 x 10-27 kg)

Mm Mr n 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 126C

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