Základy molekulové fyziky a termodynamiky

Základy molekulové fyziky

Každá látka kolem nás se skládá z obrovského množství malých částic - atomů, molekul nebo iontů. Tyto částice nejsou nehybné, ale neustále se chaoticky pohybují - říkáme tomu tepelný pohyb. Čím vyšší teplota, tím rychleji se částice pohybují.

Difuze ti krásně ukáže tento pohyb v praxi. Když kapneš parfém na ruku, jeho molekuly se postupně rozšíří vzduchem - to je právě difuze. U plynů probíhá rychle, u kapalin pomaleji a u pevných látek velmi pomalu.

Brownův pohyb můžeš pozorovat pod mikroskopem - malé částice plavající ve vodě se neustále chaoticky pohybují. Tento jev objevil Robert Brown v roce 1827, když pozoroval pylová zrnka.

Tip: Vzpomeň si na kostku cukru v čaji - to je difuze v akci! Molekuly cukru se postupně rozprostřou po celém objemu tekutiny.

Skupenství látek

Plynné látky mají molekuly daleko od sebe (asi 3 nm vzdálenost) a pohybují se zcela volně. Proto nemají stálý tvar ani objem a snadno se stlačují. Kinetická energie převažuje nad potenciální.

Pevné látky mají molekuly těsně vedle sebe $0,2-0,3 nm$ a pouze kmitají kolem svých pevných pozic. Proto mají stálý tvar i objem. Zde převažuje potenciální energie nad kinetickou.

Kapalné látky jsou něco mezi plynem a pevnou látkou. Molekuly kmitají, ale jejich pozice se postupně mění - proto kapaliny nemají stálý tvar, ale mají stálý objem.

Plazma je ionizovaný plyn složený z nabitých částic. Můžeš ho vidět v blesku, plameni nebo neonových reklamách.

Zajímavost: Plazma tvoří až 99% veškeré hmoty ve vesmíru - hvězdy jsou totiž obří plazmové koule!

Vnitřní energie a termodynamické zákony

Vnitřní energie U je celková energie všech částic v tělese - zahrnuje jejich pohybovou i polohovou energii. Můžeš ji změnit dvěma způsoby: konáním práce (stlačení nebo roztažení) nebo tepelnou výměnou.

První termodynamický zákon říká: ΔU = W + Q. Prostě řečeno - změna vnitřní energie se rovná práci plus dodanému teplu. Je to vlastně zákon zachování energie.

Měrná tepelná kapacita ti řekne, kolik energie potřebuješ k ohřátí 1 kg látky o 1°C. Voda má vysokou tepelnou kapacitu $4200 J/kg·K$, proto se pomalu ohřívá i chladí.

Entropie měří "nepořádek" v systému. Druhý termodynamický zákon říká, že entropie se vždy zvyšuje - systémy mají tendenci přecházet do stále více "neuspořádaných" stavů.

Praktická aplikace: Proto nemůžeš postavit perpetuum mobile - stroj, který by pracoval věčně bez dodávání energie!

Kalorimetrie a přenos tepla

Kalorimetr je zařízení pro měření tepla. Funguje na principu, že teplejší těleso předá svou energii chladnější kapalině v kalorimetru. Kalorimetrická rovnice ti pomůže spočítat, kolik energie se vyměnilo.

Teplo se přenáší třemi způsoby. Vedení funguje v pevných látkách - molekuly předávají energii srážkami sousedním molekulám. Proudění vidíš u tekutin - teplejší části stoupají vzhůru, chladnější klesají dolů.

Tepelné záření nepotřebuje žádné prostředí - energie se přenáší elektromagnetickými vlnami. Tak k nám doputuje energie ze Slunce přes vakuum vesmíru.

Každodenní příklad: Když vaříš polévku, teplo se přenáší vedením přes dno hrnce, prouděním v polévce a zářením od plotýnky!