8. Přednáška – BBFY1+BIFY1 Struktura látek (úvod do molekulové fyziky)

Prezentace na téma: "8. Přednáška – BBFY1+BIFY1 Struktura látek (úvod do molekulové fyziky)"— Transkript prezentace:

1 8. Přednáška – BBFY1+BIFY1 Struktura látek (úvod do molekulové fyziky)
FYZIKA I. 8. Přednáška – BBFY1+BIFY1 Struktura látek (úvod do molekulové fyziky) Amadeo Avogadro ( )

2 Kinetická teorie látek
BFY1 Kinetická teorie látek Látky navenek vypadají spojitě, ale mají svou vnitřní strukturu, kterou popisuje kinetická teorie stavby látek. Molekulová fyzika studuje vlastnosti látek s použitím kinetické teorie stavby látek. Vychází z vnitřní struktury látek a jejich vlastnosti vysvětluje jako důsledek pohybu a vzájemného působení částic. Tři poznatky kinetické teorie stavby látek 1. Látka jakéhokoli skupenství se skládá z částic (molekul, atomů nebo iontů). Prostor, který těleso z dané látky zabírá, není těmito částicemi vyplněn beze zbytku. Látka má nespojitou (diskrétní) strukturu. Křemík pod mikroskopem

3 BFY1 Tři poznatky kinetické teorie stavby látek 2. Částice v látce se pohybují, jejich pohyb je neustálý a neuspořádaný (chaotický). Při vyšší teplotě se částice pohybují rychleji - tepelný pohyb je pohyb částic rychlostmi různých směrů a velikostí. Difuze - samovolné pronikání částic jedné látky mezi částice druhé látky. Tlak plynu – způsobují ho srážky molekul plynu s molekulami vnitřních stěn nádoby. Brownův pohyb – trhaný náhodný pohyb větší cizorodé částice v plynu nebo kapalině, způsobují ho nárazy okolních molekul plynu nebo kapaliny do Brownovy částice.

4 BFY1 Tři poznatky kinetické teorie stavby látek 3. Částice na sebe navzájem působí přitažlivými a současně odpudivými silami. Graf závislosti velikosti sil působících mezi částicemi na jejich vzdálenosti r. závislost velikosti odpudivé síly na vzdálenosti. Jsou-li částice ve vzdálenosti ro, jsou v rovnovážné poloze. Výsledná síla působící mezi částicemi je nulová. závislost velikosti výsledné síly na vzdálenosti. závislost velikosti přitažlivé síly na vzdálenosti.

5 Látkové množství BFY1 Základní veličina SI, značka n, jednotka mol.
Jeden mol je počet molekul obsažených ve 12-ti gramech uhlíku izotopu 12C, tento počet je roven NA = 6, mol-1 (NA je označováno Avogadrova konstanta resp. číslo) N je počet molekul. Látkové množství n udává, kolikrát je částic více, než v 1 molu („balíčku“) o počtu NA částic. Názorná představa: V sáčku s bonbony je vždy stejný počet bonbonů – např. 25. Pokud mám 100 bonbonů, je to počet odpovídající 4 sáčkům. Sáčkové množství je 4 sáčky. Pro molekuly … NA= počet bonbonů v sáčku 1 mol = 1 sáček látkové množství n = počet sáčků s bonbóny

6 BFY1 Molární veličiny Všechny veličiny vztažené nikoliv na těleso jako celek, na jednu jeho částici nebo 1 kg či 1 m3, ale na 1 mol částic. Molární hmotnost Mmol – hmotnost 1molu částic… v kg.mol-1 Molární objem Vmol – objem 1molu částic… Vmol v m3.mol-1 Normální molární objem VmN – objem jednoho molu částic za normálních podmínek (pa = 1,013·105 Pa, T = 273,15 K) VmN = 22, m3.mol-1 pro všechny plyny. Vyplývá z Avogadrova zákona. Avogadrův zákon: Všechny plyny mají za stejného tlaku, stejného objemu a stejné teploty stejný počet molekul.

7 Hmotnost jedné částice
BFY1 Hmotnost jedné částice 1) Pomocí molární hmotnosti Mmol – známe hmotnost 1 molu, víme kolik částic v jednom molu je … stačí vydělit. Pozor! V chemických tabulkách je Mmol uváděna v g.mol-1. 2) Pomocí atomové hmotnostní jednotky mu– průměrná hmotnost jednoho vázaného nukleonu (proton nebo neutron). Relativní atomová hmotnost a relativní molekulová hmotnost udává, kolikrát je (klidová) hmotnost atomu či molekuly větší, než tato konstanta… stačí vynásobit.

8 Hustota látek BFY1 Hustota je skalární veličina – vyjadřuje hmotnost jednotkového objemu dané látky. Můžeme počítat průměrnou hustotu, jako podíl celkové hmotnosti tělesa a celkového objemu tělesa. Homogenní tělesa mají hustotu ve všech místech stejnou. U nehomogenních těles určujeme hustotu tělesa v daném bodě tělesa jako limitu z výrazu: Bereme v úvahu částicovou strukturu. Stlačitelnost – zmenšování objemu při působení vnější síly. Nestlačitelné (málo stlačitelné) látky mají téměř konstantní hustotu, dobře stlačitelné plyny mají hustotu proměnnou. I u kapalin a pevných látek se hustota mírně mění – klesá s teplotou vlivem teplotní roztažnosti.

9 FYZIKA I. pevné látky pružnosT Robert Hooke ( )

10 Stavba a struktura pl BFY1
Skutečné pevné látky nejsou tuhá tělesa, mají také svoji vnitřní strukturu: Skládají se z částic spojených vazbami, můžeme si je představit jako „pružinky“ Struktura PL může být: Amorfní – vosk, asfalt, sklo – podobají se spíše kapalinám Polymerická (guma) –vykazují velkou pružnost Krystalická (monokrystaly a polykrystaly) – vykazují velkou pevnost a stálost tvaru i objemu Zrna

11 BFY1 deformace je změna rozměrů, objemu a tvaru způsobená účinkem vnějších tzv. deformačních sil. Další možnost změny tvaru je dodáváním tepla. Druhy deformace podle chování po vymizení působící síly: 1. Pružná (elastická) - těleso nabude svůj původní tvar, jakmile přestanou působit vnější síly, deformace je dočasná. 2. Tvárná (plastická) - je trvalá deformace pevného tělesa, přetrvává i potom, co přestanou působit deformující síly Tenzometr – zařízení na měření deformace. Přilepí se na těleso a při deformaci se mění elektrický odpor, protože se prodlouží vodivé cesty.

12 Typy deformací BFY1 Rozlišujeme podle směru a typu působících sil
tahem, tlakem, ohybem smykem, kroucením všestranným tlakem

13 Síly pružnosti, stav napjatosti
BFY1 Síly pružnosti, stav napjatosti Při deformaci v tahu se zvětšují vzdálenosti mezi částicemi, na mezimolekulární úrovni vznikají přitažlivé síly pružnosti, jejichž důsledkem je stav vnitřní napjatosti Při deformaci v tlaku se vzdálenosti mezi částicemi zmenšují, na mezimolekulární úrovni vznikají odpudivé síly pružnosti.

14 (normálové) Napětí BFY1
V libovolném příčném řezu tělesa vzniká při deformaci stav napjatosti, posuzovaný tzv. normálovým napětím. Normálové napětí je síla přepočtená na jednotkovou plochu Síla vyvolává deformaci = relativní prodloužení e nebo ε

15 BFY1 Hookův zákon Při dostatečně malé deformační síle je normálové napětí přímo úměrné deformaci (relativnímu prodloužení). Konstantou úměrnosti je Youngův modul neboli modul pružnosti v tahu E. Youngův modul v tahu a tlaku má pro většinu látek přibližně stejnou hodnotu, ale pevnost nebo odolnost v tahu a tlaku se může lišit – např. beton nebo skořápka.

16 Tahový diagram, křivka deformace
BFY1 Tahový diagram, křivka deformace Vyjadřuje závislost napětí na relativním prodloužení σu – mez úměrnosti σd – mez dopružování σk – mez kluzu σp – mez pevnosti OA – platí Hookův zákon AB – deformace je ještě pružná, ale potřebuje dlouhý čas CD – oblast kluzu, při malé síly dojde k velké deformaci DE – oblast zpevnění E – těleso je zničeno

17 Deformace smykem Všestranný tlak BFY1
Síla působí v rovině plochy (př. sesunutí balíčku karet) G – modul pružnosti ve smyku Všestranný tlak Síla působí ze všech směrů, např. v kapalině hydrostatický tlak. Místo relativního prodloužení e, určujeme relativní smrštění. K – modul objemové pružnosti

18 Úloha na mez pevnosti BFY1
Závaží o hmotnosti 100 g zavěšené na niti je taženo svisle vzhůru působením stálé síly. S jakým zrychlením se může pohybovat, aby se niť o průměru 1 mm nepřetrhla? Mez pevnosti nitě je 2 MPa, tíhové zrychlení 9,8 m.s-2. Hmotnost nitě je vzhledem k hmotnosti závaží zanedbatelná. m = 100 g = 0,1 kg, d = 1 mm = 10-3 m, σp = 2 MPa = Pa, g = 9,8 m.s-2, a = ? m.s-2 Na těleso na niti působí směrem vzhůru tahová síla F, směrem dolů tíhová síla G, pro jejich výslednici můžeme podle 2.NZ psát: Síla F vyvolá v příčném řezu nitě S napětí, které musí být menší než σp Vyjádříme a a dosadíme za S:

19 Teplotní roztažnost BFY1
Při zvýšení teploty se zvětší rozměry tělesa (PL, kapalného) Délková (tyče, dráty) Objemová (kapalné látky, 3D tělesa) α – koeficient délkové teplotní roztažnosti β – koeficient objemové teplotní roztažnosti, β = 3. α Teplotní roztažnost v praxi: dilatační pruhy a spáry, bimetal, kalibrace přístrojů, dvojice kontaktních materiálů

20 Úloha (nejen) na roztažnost
BFY1 Úloha (nejen) na roztažnost Jaké závaží je třeba připevnit na svisle zavěšený měděný drát o obsahu příčného řezu 1 mm2, aby prodloužení tohoto drátu při jeho pružné deformaci způsobené závažím bylo stejné jako při jeho zahřátí o 24oC? Teplotní součinitel délkové roztažnosti mědi je 1, K-1, modul pružnosti mědi je 120 Gpa a tíhové zrychlení 9,8 m.s-2. S = 1 mm2 = 10-6 m2, Δt = 24oC, α = 1, K-1, E = 120 GPa = 1, Pa, g = 9,8 m.s-2, m = ? kg Prodloužení Δl určíme dvěma způsoby (podle Hookova zákona a podle vztahu pro teplotní roztažnost) a položíme je do rovnosti.

21 BFY1 Děkuji za pozornost