Molekulová fyzika a termika

Molekulová fyzika – složení látek, struktura látek, jak na sebe látky působí
Termika – teplo, teplota, tepelné děje
Pozorujeme – termodynamicky, staticky
Kinetická teorie látek
Látky kteréhokoli skupenství se skládají z částic
Částice se v látkách neustále a neuspořádaně pohybují – difúze, osmóza, tlak plynu
Částice na sebe navzájem působí přitažlivými a odpudivými silami, velikost těchto sil závisí na vzdálenosti mezi částicemi (odpudivá, nulová, přitažlivá)
A_r = m_a/m_u (relativní atomová hmotnost je hmotnost atomu lomeno atomová hmotnostní konstanta = 1,66057 * 10^-27kg)
n = N/N_a (látkové množství je počet molekul lomeno avogadrova konstanta = 6,027 * 10²³)
N = m/m_a (počet částic v soustavě je hmotnost lomeno hmotnost atomu)
Termodynamická izolovaná soustava – nedochází k výměně energie ani částic s okolím
Termodynamická neizolovaná soustava – dochází k výměně energie ani částic s okolím
Termodynamická uzavřená soustava – nedochází k výměně částic mezi soustavou a okolím
Termodynamická otevřená soustava – dochází k výměně částic mezi soustavou a okolím
Termodynamická adiabaticky izolovaná soustava – nedochází k tepelné výměně
Zkoumáme stavové veličiny – teplota, tlak, objem
Při interakci dochází ke stavové změně
Každá soustava, která je od určitého okamžiku v neměnných vnějších podmínkách přejde samovolně po určité době do rovnovážného stavu, v němž setrvává při zachování podmínek
V rovnovážném stavu zůstávají stavové veličiny konstantní
Rovnovážný děj – soustava prochází řadou na sebe navazujících rovnovážných stavů
Všechny skutečné děje jsou nerovnovážné a nevratné (nejdou v obou směrech)

Teplota

K měření používáme teploměr
Souvisí s průměrnou kinetickou energií částic látky
Bimetalový teploměr – spojením dvou kovů s různou tepelnou roztažností
Kapalinový teploměr – využití tepelné roztažnosti kapaliny (ideální rtuť)
Plynový teploměr – závislost tlaku na teplotě při stálém objemu plynu
Odporový teploměr – závislost elektrického odporu na polovodiče
Radiální teploměr – pro měření velmi vysokých teplot

Přepočty

Celsius °C, Kelvin °K, Fahrenheit °F, Reámur °R
°C = °K – 273,15 = 5/9 * (°F – 32) = 5/4 * °R
°K = °C + 273,15
°F = 9/5 * (°C + 32)
°R = 4/5 * °C

Vnitřní energie, teplo

Součet celkové kinetické energie neuspořádaně se pohybujících částic tělesa a celkové potenciální energie vzájemné polohy těchto částic
Mění se konáním práce (tření dvou těles), tepelnou výměnou (ohřívání vody na vařiči)
Konání práce – pokud je práce větší než 0, v.e. soustavy vzroste, v opačném případě se sníží
Adiabatický děj – pokud současně neprobíhá tepelná výměna
Tepelná výměna – děj, při němž se neuspořádaně pohybují částice teplejšího tělesa, narážejí na částice studenějšího tělesa a předávají jim část své energie
Teplo Q je určeno energií, kterou při tepelné výměně odevzdá teplejší těleso studenějšímu
Tepelná kapacita – C = Q/Δt (teplo lomeno rozdíl teplot)
Měrná tepelná kapacita – c = Q/(m * Δt) (teplo lomeno hmotnost krát rozdíl teplot)
Teplo, které přijme chemicky stejnorodé těleso je přímo úměrné hmotnosti tělesa a přírůstku teploty
Kalorimetrická rovnice m₁ * c₁ * (t₁ – t) = m₂ * c₂ * (t – t₂) + c_k * (t – t₂)
První termodynamický zákon – změna vnitřní energie soustavy je rovna součtu práce, vykonané okolními tělesy, působícími na soustavu silami po určité dráze, a tepla, odevzdaného okolními tělesy soustavě (U = W + Q)
Nelze sestrojit perpetum mobile prvního druhu
Přenos v.e. vedením – energie přichází z míst s vyšší teplotou do míst s nižší teplotou
Přenos v.e. zářením – po dopadu se část záření odráží, část prochází a zbytek těleso pohlcuje
Přenos v.e. prouděním – proudící tekutina přenáší energii z teplejších do chladnějších míst

Plyn

Ideální plyn

Rozměry molekul jsou zanedbatelně malé ve srovnání se střední vzdáleností molekul od sebe
Molekuly na sebe navzájem silově nepůsobí, kromě vzájemných srážek
Vzájemné srážky molekul a srážky těchto molekul se stěnami nádoby jsou dokonale pružné
Vnitřní energie je rovna celkové kinetické energii
Střední kvadratická rychlost U_k = N * 0,5 * m₀ (velikost molekuly) * v_k² (kvadratická rychlost)
v_k = √(3kT/m₀), k = 1,38 * 10^-23 J/K (Boltzmannova konstanta)
v_k = √(3R_mT/M_m), R = k * N_a = 8,31 K/J (Molární plynová konstanta)
Molekuly mají v důsledku neuspořádaného posuvného pohybu kinetickou energii

Tlak plynu

p = 1/3 * N/V * m₀ * v²
pV = NkT – stavová rovnice ideálního plynu

Izotermický děj

Zákon Boylův-Mariottův
Děj probíhá za konstantní teploty
Při izotermickém ději s ideálním plynem stálé hmotnosti je součin tlaku a objemu plynu stálý
p₁V₁ = p₂V₂
Teplo přijaté plynem při izotermickém ději je rovno práci, kterou tento plyn při ději vykoná
U = 0, Q = -W = W

Izochorický děj

Zákon Charlesův
Děj probíhá za konstantního objemu
Při izochorickém ději s ideálním plynem stálé hmotnosti je tlak plynu přímo úměrný jeho termodynamické teplotě
p₁/V₁ = p₂/V₂
Teplo přijaté ideálním plynem při izochorickém ději je rovno přírůstku jeho vnitřní energie
U = Q

Izobarický děj

Zákon Gay-Lucasův
Děj probíhá za konstantního tlaku plynu
Při izobarickém ději s ideálním plynem stálé hmotnosti je objem plynu přímo úměrný jeho termodynamické teplotě
V₁/T₁ = V₂/T₂
Teplo přijaté ideálním plynem při izobarickém ději je rovno přírůstku jeho vnitřní energie a práce, kterou plyn vykoná
U = Q + W

Adiabatický děj

Zákon Poissonův
Děj probíhá bez tepelné výměny
Při adiabatickém stlačení (kompresi) plynu v nádobě se působením vnější síly na píst koná práce. Teplota plynu a jeho vnitřní energie se zvětšují
p₁V₁^κ = p₂V₂^κ, κ = Poissonova konstanta
Při adiabatickém rozpínání koná plyn práci, teplota a jeho vnitřní energie se při tom zmenšují
U = W

Práce plynu

Práce vykonaná plynem při stálém a proměnném tlaku
Plyn uzavřený v nádobě s pístem při zvětšování objemu koná práci
W = p * ΔV
Práce při proměnném tlaku je součet prací pro každou změnu objemu, kdy můžeme považovat plyn za stálý

Kruhový děj

Děj, při kterém je konečný stav soustavy shodný s počátečním stavem
Práce, kterou může plyn vykonat je omezená, protože plyn nemůže neustále zvětšovat svůj objem (po každém zvětšení objemu musí dojít ke stlačení plynu)
Účinnost kruhového děje – η = 1 – Q2/Q1
Není možné sestrojit periodicky pracující stroj, který by jen přijímal teplo od určitého tělesa a vykonával stejně velkou práci (nelze sestrojit perpetum mobile druhého druhu)

Tepelné motory

Stroje, které přeměňují část vnitřní energie paliva uvolněné hořením na energii mechanickou
Vnitřní energie se předá pracovní látce tepelnou výměnou
Tepelný motor musí pracovat cyklicky
Libovolný tepelný motor se skládá z pracovní látky, ohřívače, chladiče

Vznětové motory

Vynálezcem Rudolf Diesel
Do stlačeného rozžhaveného vzduchu se vstříkne hořlavá směs, která se okamžitě zapálí
Pak následuje vypuštění zplodin a nasátí nového vzduchu, který se opět stlačí
Sání – píst se pohybuje směrem dolů, přes sací ventil je nasáván vzduch
Komprese – píst se pohybuje vzhůru, oba ventily jsou uzavřené, nasátý vzduch zmenšuje svůj objem, zvětšuje tlak a teplotu, těsně před horní úvratí je do válce vstříknuto palivo
Expanze – oba ventily jsou uzavřené, směs paliva a vzduchu zapálená samovznícením shoří, v pracovním prostoru válce se prudce zvýší teplota i tlak vzniklých plynů, ty expandují a během pohybu pístu směrem dolů konají práci
Výfuk – píst se pohybuje vzhůru, výfukový ventil je otevřený, spaliny z pracovního prostoru válce jsou vytlačovány do výfukového potrubí

Zážehové motory

Rozlišujeme je na dvoutaktní a čtyřtaktní
Jako palivo poslouží benzín, u čtyřtaktů je bez příměsí, pro dvoutakty musí obsahovat olovo
Sání – píst se pohybuje dolů, sacím ventilem je do válce nasávána směs benzínu a vzduchu vytvořená v karburátoru
Komprese – píst se pohybuje nahoru a stlačuje pohonnou směs, když píst dosáhne horní polohy, svíčka jiskrou zapálí směs
Expanze – směs shoří, výsledný plyn stlačí píst dolů
Výfuk – píst při pohybu nahoru vytlačuje výfukovým ventilem spálený plyn
V praxi je v motoru několik válců spojených klikovou hřídelí
Dvoudobý motor – pracovní cyklus probíhá ve dvou taktech, nemá sací ani výfukový ventil, přívod i výfuk paliva je způsoben pohybem pístu
Pohyb pístu nahoru – komprese, sání, zapálení směsi svíčkou
Pohyb dolů – expanze a výfuk

Pevné látky

Krystalické (monokrystalické, polykrystalické), amorfní
Krystalická mřížka – množina určitých význačných bodů, od nichž se určuje poloha konkrétních částí krystalu, popis struktury atomu
Ideální krystalová mřížka – pravidelná struktura
Mřížka – základní, prostorově středěná, plošně středěná
Tvary – trojklonná, jednoklonná, kosočtverečná, čtverečná, šesterečná, krychlová, klencová
Poruchy – vady v krystalové struktuře, ovlivňují vlastnosti
Makroskopické, mikroskopické, submikroskopické (vakance, atomy jiných prvků, intersticiální)
Čárové (hranové, šroubové), plošné (vrstevné, maloúhlové)
Chemická vazba – silové vzájemné působení mezi dvěma atomy
Pomocí chemické vazby se jednotlivé atomy seskupují do molekul
Vazby – polární, nepolární, iontová, koordinačně kovalentní, kovová

Deformace pevného tělesa

Změna rozměrů způsobená vnějšími silami
Pružná (elastická) – těleso se vrací do původní polohy
Tvárná (plastická) – těleso zůstane v novém tvaru
Deformace tahem – dvě síly působí ven z tělesa
Deformace tlakem – dvě síly působí dovnitř tělesa
Deformace ohybem – spodní strana tahem a horní strany ohybem
Deformace smykem – tečné síly působící nahoru a dolů, posunutí vrstev
Deformace kroucením – dvojice sil momenty působí proti sobě
Mez pružnosti – nejvyšší hodnota normálového napětí, kdy je deformace ještě pružná, po překročení této meze je těleso trvale deformováno
Mez pevnosti – po překročení této hodnoty normálového napětí dojde k porušení materiálu, přetrhne se, rozdrtí se (křehké látky mají mez pružnosti blízko mezi pevnosti)
Dovolené napětí – nejvyšší přístupná hodnota při deformaci tahem nebo tlakem
Součinitel (koeficient) bezpečnosti – podíl mezi pevnosti a dovoleného napětí
Hookův zákon – normálové napětí je přímo úměrné relativnímu prodloužení (σ = E * ε)
Prodloužení Δl závisí na počáteční délce tělesa
Relativní prodloužení – prodloužení tělesa o původní délce 1 metr (ε = Δl/l)
Modul pružnosti – E, normálové napětí, které by v předmětu bylo po prodloužení své délky

Teplotní roztažnost

Děj, který nastává při změně teploty látky
Teplotní roztažnost – l = l₀ * (1 + α * Δt)
Plošná roztažnost – S = S₀ * (1 + 2α * Δt)
Objemová roztažnost – V = V₀ * (1 + 3α * Δt)

Struktura a vlastnosti kapalin

Stálý objem, ale ne tvar
Přechod mezi pevnými látkami a plyny
Krátkodosahové uspořádání
Stejně velká kinetická i potenciální energie
Molekuly kapaliny na sebe vzájemně působí přitažlivými silami
Tyto síly nemají vliv na vlastnosti kapaliny

Povrchová vrstva kapaliny

Volný povrch kapaliny se chová jako pružná blána
Kolem každé molekuly je silové pole
Uvnitř kapaliny – výslednice přitažlivých sil je nulová
Vzdálenost molekuly od volného povrchu kapaliny menší než poloměr – výslednice sil dovnitř
Vrstva takových molekul – povrchová vrstva kapaliny
Na každou molekulu ležící v povrchové vrstvě kapaliny působí sousední molekuly výslednou přitažlivou silou, která má směr dovnitř kapaliny
Volný povrch je kolmý na směr této síly
Celková povrchová vrstva má povrchovou energii
Kapalina se snaží vytvořit kulovitý tvar, ten se vlivem gravitační síly mění na kapkovitý tvar
Povrchové napětí závisí na kapalině na látce nad volným povrchem na teplotě kapaliny
Povrchové napětí se rovná podílu velikosti povrchové síly a délky od okraje povrchové blány, na kterou povrchová síla působí kolmo v povrchu kapaliny σ = F/l

Kapilární jevy

Kapiláry – úzké trubice
V kapilárách se hladina zakřivuje
Kapilární elevace – kapalina vystoupí výše vzhledem k okolí, dutý povrch
Kapilární deprese – kapalina klesne níže vzhledem k okolí, vypouklý povrch
Dutý povrch – kapalina smáčí stěny, síla působí do nádoby
Vypouklý povrch – kapalina nesmáčí stěny, síla působí do kapaliny
Zakřivením povrchu kapky vyvolávají síly povrchového napětí v kapce přídavný (kapilární) tlak, závislý na poloměru křivosti kapky p = 2σ/R
σ = (r * h * ρ * g)/2
Význam – výživa rostlin, vlhnutí stěny podmáčených domů, zabránění pronikání kapalin

Změny skupenství látky

Tání – přeměna z pevné látky na kapalinu
Vypařování – přeměna z kapaliny na plyn
Desublimace – přeměna z plynu na pevnou látku
Sublimace – přeměna z pevné látky na plyn
Kapalnění – přeměna z plynu na kapalinu
Tuhnutí – přeměna z kapaliny na pevnou látku

Navštivte také

Slovník
Anglicko-český slovník a česko-anglický slovník
Německo-český slovník a česko-německý slovník
Španělsko-český slovník a česko-španělský slovník
Slovensko-český slovník a česko-slovenský slovník