Základní poznatky molekulové fyziky a termodynamiky

• 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

Termodynamická metoda

• Vychází z vnějšího pozorování (tlak, teplota, objem)
• Nevíme nic o vnitřní struktuře zkoumaných těles
• Metoda se používá v oboru nazývaném termodynamika
• Historicky starší a jednodušší

Statistická metoda

• Vychází z vnitřní struktury těles
• Uvažujeme částicové složení tělesa
• Metoda se používá v oborech molekulová fyzika a statická fyzika
• Složitější a mnohem širší
• Tyto dvě metody nám poskytují dva různé pohledy na stejnou věc. Základem molekulové a statistické fyziky je kinetická teorie látek. - 3 základní 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

  Difuze

• 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

Brownův pohyb

• jeden z důkazů tepelného pohybu částic
• podle anglického botanika R. Browna, který pozoroval neustálý neuspořádaný pohyb pylových zrnek ve vodě (chaos)
• 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

Osmóza

• difuze kapalin přes polopropustnou překážku
• např. biologickou membránu, permanenový papír,…

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

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

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

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

• 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 (v SI soustavě)

• 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

  NV

• je-li v tělese objemu V obsaženo N částic, je pak veličina hustota částic:

• jednotka: m-3