Vypracovala: B. Horváthová


 
Molekulová fyzika a termodynamika skúmajú vlastnosti látok. Telesá sa nachádzajú v rôznych stavoch, medzi telesami môžu prebiehať rôzne deje. Termodynamická metóda opisuje vlastnosti látok z makroskopického hľadiska. Pracujeme s veličinami, ktoré môžeme zmerať, alebo z nameraných veličín odvodiť. Štatistická metóda skúma teleso ako súbor ustavične sa pohybujúcich častíc. Skúmané teleso alebo sústavu telies nazývame termodynamická sústava.

Pri opise nám pomáhajú nasledovné veličiny: pokojová hmotnosť atómu, pokojová hmotnosť molekuly, atómová hmotnostná konštanta, relatívna atómová hmotnosť, relatívna molekulová hmotnosť, látkové množstvo, molárna hmotnosť a molárny objem.

Atómová hmotnostná konštanta mu sa rovná 1/12 hmotnosti neutrálneho atómu nuklidu uhlíka   v základnom stave. Pre atómovú hmotnostnú konštantu platí:
 
mu = 1,66.10-27kg

Látkové množstvo n vyjadruje množstvo častíc v látke. Jednotkou látkového množstva je mol. 1 mol je látkové množstvo sústavy, ktorá obsahuje práve toľko častíc, koľko je atómov v 0,012 kg nuklidu uhlíka  .

Molová hmotnosť Mm je definovaná vzťahom Mm = m/n, kde m je hmotnosť telesa a n je odpovedajúce látkové množstvo. Molová hmotnosť je vlastne hmotnosť jedného molu látky. Vzťah medzi molovou hmotnosťou Mm a hmotnosťou molekuly mm je:

Mm = Na . mm

Vzťah medzi molovou hmotnosťou Mm a pomernou molekulovou hmotnosťou Mr je:
Mm = Mr.10-3 kg.mol-1, alebo: Mm = Mr g.mol-1.

Pre hmotnosť m chemicky rovnorodého telesa platí:
m = N.mm = n.NA.mm,
kde N je počet častíc telesa, mm je hmotnosť jednej molekuly.

Molový objem Vm je definovaný vzťahom
Vm = V/n,
kde V je objem danej látky, n je látkové množstvo tejto látky. Molový objem Vm je objem jedného molu látky.

Jeden mol obsahuje práve toľko gramov látky, koľko je jej relatívna molekulová hmotnosť. Jeden mol atómového vodíka má hmotnosť 1,00797 g, 1 mol molekulárneho vodíka H2 má hmotnosť približne 2g.

Jednotkou molovej hmotnosti je kg/mol. V chémii sa pre molovú hmotnosť používa viac jednotka g/mol, pretože tam sa častejšie udáva hmotnosť látky v gramoch.

 
Každá termodynamická sústava sa môže nachádzať v rôznych stavoch. Ak sa stav sústavy mení prebieha dej.

Stavové veličiny – súbor určitého počtu fyzikálnych veličín, ktoré popisujú stav sústavy. Medzi dôležité stavové veličiny patrí teplota, objem, tlak plynu, hustota, merný elektrický odpor a ďalšie.

Izolovaná sústava – sústava, v ktorej nedochádza k výmene energie ani častíc s okolím – nedochádza k interakcii s okolitými telesami, deje môžu prebiehať iba medzi telesami, ktoré tvoria sústavu.

Rovnovážny stav – ak sústava nie je ovplyvňovaná telesami z jej okolia. Prejde po určitej dobe do rovnovážneho stavu. Stavové veličiny sa nemenia. Dá sa dokázať, že rovnovážny stav je stav s najväčšou pravdepodobnosťou výskytu.

Termodynamický dej – každá zmena stavu sústavy. Stavové veličiny sa menia (nemusia sa meniť všetky stavové veličiny).

Rovnovážny dej – termodynamický dej, ktorý prebieha veľmi pomaly možno považovať za spojitý rad rovnovážnych dejov. Taký dej nazývame rovnovážny. Reálne deje nie sú presne rovnovážne.

Vratný dej – dej, ktorý v danej sústave prebehne jedným smerom a potom smerom opačným, pričom sa sústava a telesá z okolia vrátia do pôvodného stavu. Vratné sú iba ideálne deje, reálne deje sú nevratné.

 
Skupenstvo látky charakterizuje stav látky súvisiaci so stupňom usporiadanosti častíc (molekúl, atómov, iónov) a závisí od vzťahu medzi kinetickou energiou častíc a energiou ich vzájomného pôsobenia. Rozlišujeme skupenstvo plynné, kvapalné, pevné a plazmu.

Plynné skupenstvo – častice sa pohybujú voľne. Ich kinetická energia je väčšia než energia ich vzájomného pôsobenia. Látka v plynnom skupenstve sa nazýva plyn.

Kvapalné skupenstvo – častice sa krátkodobo zhlukujú do usporiadaných oblastí – zhlukov, ktoré sa môžu navzájom pohybovať. Kinetická energia častíc je porovnateľná s energiou ich vzájomného pôsobenia. Látka v kvapalnom skupenstve sa nazýva kvapalina.

Pevné skupenstvo – častice sú dlhodobo usporiadané a ich kinetická energia je menšia než energia ich vzájomného pôsobenia. Látka v pevnom skupenstve sa nazýva pevná látka.

Plazma je ionizovaný plyn tvorený nositeľmi elektrického náboja – elektrónmi a iónmi, zvyčajne aj neutrálnymi časticami – atómami a molekulami. Elektricky nabité častice tvoria v plazme rôzne zoskupenia, ktorých elektrické polia ovplyvňujú pohyb ostatných nositeľov elektrického náboja (správajú sa kolektívne).

 
Fáza je časť termodynamickej sústavy, ktorá, ak nepôsobia vonkajšie sily, má všade rovnaké fyzikálne a chemické vlastnosti (napr. rovnakú hustotu, štruktúru a pod.) a od ostatných častíc sústavy je oddelená ostrým rozhraním.

 
Z praxe je známe, že pri zmene teploty dochádza ku zmene rozmerov pevných telies a zmene objemu kvapalín. Tento jav sa nazýva teplotná rozťažnosť.

Ak skúmame zmenu jedného rozmeru pevného telesa v závislosti od teploty (napr. dĺžku tyče, predĺženie drôtu atď.), hovoríme o dĺžkovej teplotnej rozťažnosti. Ak skúmame závislosť objemu pevného telesa alebo kvapaliny od teploty, ide o objemovú teplotnú rozťažnosť.

Dĺžková teplotná rozťažnosť pevných látok je skúmaná u pozdĺžnych predmetov (tyčí, drôtov, koľajníc). Ak teplota T0 kovovej tyče vzrastie o ∆T na hodnotu T = T0 + ∆T, jej pôvodná dĺžka d0 vzrastie o ∆d na hodnotu d = d0 + ∆d.

Predĺženie tyče bude: ∆d = d0.α.∆T, kde α je konštanta závislá od materiálu a nazýva sa súčiniteľ teplotnej dĺžkovej rozťažnosti. Jeho jednotkou je K-1, čo je to isté ako (°C)-1. Dĺžka tyče d po zmene teploty je potom d = d0 (1 + α∆T).

Objemová teplotná rozťažnosť pevných telies a kvapalín je daná vzťahom ∆V = V0β∆T, kde V0 je pôvodný objem a β je súčiniteľ teplotnej objemovej rozťažnosti. Pre pevné izotropné látky je β = 3α. Objem V po zmene teploty je potom V = V0 (1 + β∆T). Dôsledkom teplotnej rozťažnosti látok je závislosť ich hustoty od teploty

ρ = ρ0 (1 - β∆T), kde ρ0 je pôvodná hustota pri teplote T0, ρ je hustota pri teplote T = T0 + ∆T.

 
Prvý termodynamický zákon je konkrétna formulácia zákona zachovania energie pre tepelné deje.

Zmena vnútornej energie sústavy sa rovná súčtu práce vykonanej okolitými telesami pôsobiacimi na sústavu silami a tepla odovzdaného týmito telesami sústave.
∆U = W + Q

Teplota všetkých telies, ktoré tvoria sústavu v rovnovážnom stave, je rovnaká. Termodynamická teplota T je základnou veličinou sústavy jednotiek SI.

V praxi sa častejšie stretávame s Celziovou teplotou t.

 
 
 
Úlohy:
1) Vymenujte a stručne charakterizujte veličiny na popis termodynamickej sústavy.
2) Čo je to teplotná rozťažnosť, aké poznáme?

 
 
Použitá literatúra:
Pavol Tarábek - Zmaturuj z fyziky
V.Lank , M. Vondra – Fyzika v kocke