2. Molekulová fyzika a termika

2.1 Kinetická teorie látek

Molekulová fyzika zkoumá vlastnosti látek na základě jejich vnitřní struktury a neustálého pohybu a vzájemného působení obrovského počtu částic. (Základem je kinetická teorie látek)

Statistická fyzika – využívá kromě poznatků z fyziky také poznatky z teorie pravděpodobnosti a matematické statistiky.

Termodynamika – neuvažujeme částicové složení látek. Využíváme zákona zachování a energie.

Kinetická teorie látek:

základem jsou 3 experimentálně ověřené poznatky:

a) látka v jakémkoliv skupenství se skládá z částic (atomů nebo molekul).

    Látka má nespojitou (diskrétní) strukturu.

b) částice se stále a neuspořádaně pohybují, tzv. tepelný pohyb.

c) částice libovolné látky na sebe působí silami. Tyto síly jsou při malých vzdálenostech odpudivé a při velkých vzdálenostech přitažlivé.

Důkazem tepelného pohybu v látkách je mnoho různých jevů, např. difuze, transfuze, osmoza, Brownův pohyb.

DIFUZE

je samovolné pronikání částic jedné látky mezi částice druhé látky.

Probíhá:        - velmi rychle    u plynů

                   - pomalu           u kapalin

                   - velmi pomalu   u pevných látek

Difuze se vysvětluje pomocí tepelného pohybu částic, takže při vyšší teplotě probíhá rychleji.

TRANSFUZE

Je pronikání dvou různých oddělených plynů přes pórovitou překážku (např. blánu).

OSMÓZA

Je pronikání kapalin přes polopropustnou překážku (membránu), např. buňka.

BROWNŮV POHYB

je nepřetržitý a chaotický pohyb drobných částic vznášejících se v tekutinách. Rychlost pohybu se zvyšuje s teplotou okolí, snižováním viskozity a se zmenšováním těchto částic.

Vzájemné působení částic

Mezi částicemi libovolné látky současně působí přitažlivé a odpudivé síly.

a) např. soudržnost pevných a kapalných látek potvrzuje existenci přitažlivých sil.

b) např. malá stlačitelnost kapalin a odpor pevných těles při deformaci tlakem svědčí o existenci odpudivých sil.

Každá částice je přitahována jen nejbližšími částicemi ve svém okolí, tzv. sféra vzájemného působení.

Modely struktur látek

Pevná látka

- převážně je složena z částic s pravidelným uspořádáním, vytváří tzv. krystalovou strukturu

- některé látky nemají pravidelné uspořádání, to jsou tzv. amorfní látky

- střední vzdálenosti mezi částicemi jsou 0,2 nm až 0,3 nm

- přitažlivé síly způsobují, že látka vytváří těleso určitého tvaru a objemu, který zůstává zachován

- celková potenciální energie soustavy částic je větší než celková kinetická energie

Kapalná látka

- molekuly jsou více pohyblivé než u pevné látky

- vzájemné působení molekul není tak silné, aby zůstaly zachovány stejné rovnovážné polohy

- rovnovážná poloha se s časem mění

- střední vzdálenosti mezi částicemi je asi 0,2 nm

- působí-li na kapalinu vnější síla, přesunují se molekuly převážně ve směru této síly, proto je kapalina tekutá a nezachovává tvar

- celková potenciální energie soustavy částic je srovnatelná s celkovou kinetickou energií

Plynná látka

- molekuly plynu se skládají z jednoho nebo více atomů

- střední vzdálenosti mezi molekulami jsou v porovnání s jejich rozměry velké 

  (např. H₂ má r=3 nm a průměr 0,07 nm)

- můžeme zanedbat přitažlivé síly

- molekuly vykonávají tepelný pohyb v různých rychlostech a v různých směrech.

- dochází ke srážkám (změny směru a rychlosti pohybu molekul)

- celková potenciální energie soustavy částic je výrazně menší než celková kinetická energie

Plazma

- soustava nabitých a neutrálních částic

- při extrémě vysokých teplotách je složeno jen z volných atomových jader a elektronů

- blesk, plamen, výboj atp.

Veličiny popisující soustavu částic

Relativní atomová hmotnost

m_a …   klidová hmotnost atomu

m_u …   atomová hmotnostní konstanta = definována jako 1/12 klidové hmotnosti atomu uhlíku ¹²₆C

m_u  1,66 . 10^-27 kg

Relativní molekulová hmotnost

m_m … klidová hmotnost molekuly

Relativní molekulová hmotnost je rovna součtu relativních atomových hmotností všech atomů, které molekulu vytvářejí.

Avogardova konstanta N_A

 N_A  6,02 . 10²³ mol^-1

Její číselná hodnota udává:

a) počet atomů v nuklidu uhlíku ¹²₆C o hmotnosti 0,012 kg

b) počet částic v chemicky stejnorodém tělese o látkovém množství jeden mol

Látkové množství n

N …    počet částic soustavy

Jednotka:      mol

Molární hmotnost M_m

N …    počet částic soustavy

m …    hmotnost tělesa z chemicky čisté látky

Jednotka:      kg.mol^-1 nebo též g.mol^-1