Transcript Molekulová fyzika a termika

Molekulová fyzika a termika
Měření teploty
• Využíváme teplotní roztažnosti látek
Celsiova teplota
značí se t
jednotka: Celsiův stupeň
°C
Termodynamická teplota
značí se T
jednotka: Kelvin
K
T = t + 273,15
Teploměry
Teplotní délková roztažnost
• tělesa závisí na materiálu, z něhož je těleso
vyrobeno
• změna délky tělesa je přímo úměrná změně teploty
 l   .l1 . t
t 1 …….počáteční teplota
t ….. konečná teplota
l1 …….počáteční délka tyče l ……konečná délka
 t ……teplotní rozdíl
 l ……..prodloužení tyče
 …….teplotní součinitel délkové roztažnosti K-1
V tabulce jsou uvedeny hodnoty koeficientu
teplotní délkové roztažnosti α pro 0 ° C až 100 ° C
látka
  10-6 . K-1
látka
  10-6 . K-1
zlato
18,8
sklo
8,5
hliník
23,8
měď
16,7
železo
11
bronz
17,9
Bimetal
• = dvojkov je pásek ze dvou kovů o různých
tepelných roztažnostech. Kovy jsou navzájem
pevně spojeny . Při ohřívání nebo
ochlazování dochází na různých stranách
pásku k různému rozpínání kovů. To zapříčiní
definovatelné prohnutí dvouvrstvého pásku.
Vrstva kovu z materiálu s větší tepelnou
roztažností se označuje jako aktivní a vrstva
s menší tepelnou roztažností jako pasivní.
• Použití: měření a regulace teploty
Bimetal
Teplotní objemová roztažnost
• setkáváme se s ní u všech tří skupenství
V  V1 .(1    t )
V1…….původní objem
V……...konečný objem
β...........teplotní součinitel objemové roztažnosti
jednotka K-1
Anomálie vody
• Většina látek s rostoucí teplotou zvětšuje
objem
• Voda je výjimka – nejmenší objem má při
4°C, od 4°C do 0°C se objem vody zvětšuje
Částicová stavba látek
• Látky se skládají z částic: molekul, atomů a
iontů, které jsou v neustálém tepelném
pohybu = neuspořádaný pohyb částic v
závislosti na teplotě látky
• Brownův pohyb = neuspořádaný pohyb
částic
Pevné látky
Jsou složené z částic v malé vzdálenosti =>
uplatňují se přitažlivé síly
Vlastnosti pevných látek:
- zachovávají tvar a objem
- většina pevných látek má krystalovou
strukturu s pravidelným uspořádáním částic
- tepelný pohyb částic má podobu kmitání
kolem rovnovážných poloh
Kapaliny
Mezi částicemi jsou menší přitažlivé síly než
v pevných látkách
Vlastnosti kapalin:
- zachovávají objem (jsou téměř nestlačitelné)
- mění tvar podle nádoby
Plyny
Mezi částicemi jsou velmi malé přitažlivé síly.
Vlastnosti plynů:
- nemají stálý tvar ani objem
- jsou dobře stlačitelné
atomová hmotnostní jednotka
• mu = 1/12 m(12C) = 1,66057 . 10-27 kg = 1 u
• mu……hmotnost atomové hmotnostní
jednotky
• m(12C)…..hmotnost atomu izotopu uhlíku
relativní atomová hmotnost
• Ar(X) = m(X) /mu
• Ar(X) ……relativní atomová hmotnost
• m(X)……..hmotnost atomu X
relativní molekulová hmotnost
•
•
•
•
Mr(AB) = m(AB)/ mu
Mr(AB)…….relativní molekulová hmotnost
m(AB)………hmotnost molekuly
relativní molekulová hmotnost se vypočítá
jako součet relativních atomových
hmotností prvků
• Mr( AxBy) = x.Ar(A) + y.Ar(B)
Látkové množství
• Jeden mol je látkové množství vzorku,který
obsahuje tolik částic , kolik atomů je
obsaženo ve vzorku nuklidu 12C, jehož
hmotnost je přesně 12 g.
• Počet částic v jednom molu udává
Avogadrova konstanta NA = 6,023 .1023
• n = N / NA
• n ………..látkové množství v molech
• N …………počet částic ve vzorku
Molární hmotnost
•
•
•
•
•
•
M(X) = Mr(X) u . NA = Mr(X) g/mol
1u . NA = 1 g/mol
M(X)…….molární hmotnost látky X
M(X) = m(X) / n(X)
m(X) ……..hmotnost látky X
n(X) ………látkové množství látky X
Výměna energie mezi soustavami
Celková energie systému


vnější
vnitřní
 
kinetická potenciální
V termodynamice se vnější energií nezabýváme
– o systému uvažujeme tak, jako by se nalézal
v místě nulové potenciální energie a
nepohyboval se
Způsoby výměny energie s okolím
Práce – takový způsob výměny energie, při
němž působením nějaké síly dochází buď k
posunu nebo otočení mikročástic či celých
těles
Teplo Q - souvisí s neuspořádaným
pohybem molekul, s jejich kinetickou energií.
Vnitřní energie
Vnitřní energie – U – je spojena s různými druhy
pohybu a vzájemného působení částic a částí
vytvářejících systém (translační, rotační, vibrační
pohyb atomů v molekule nebo krystalové mřížce,
energie vzájemného působení molekul a atomů,
energie elektronů v atomech atd.)
Absolutní hodnota U není známa, měří se pouze
změny nebo ji vztahuje ke konvenční 0
První termodynamický princip
Zákon zachování energie
Jestliže systém přijme od okolí teplo Q a práci W
vzroste jeho vnitřní energie o hodnotu U, která se
rovná součtu dodané práce a tepla
U  Q  W
+W, +Q
-W, -Q
dodaná energie
odevzdaná energie
Teplo
Měření tepla – kalorimetrie
Tepelná kapacita vyjadřuje, jaké teplo musíme
tělesu dodat, aby se jeho teplota zvýšila o 1°C
(tj. o 1K)
C 
Jednotka J/K
Q
t
Kalorimetr
Přístroj na měření tepla
Měrná (specifická) tepelná kapacita
Značí se (malé) c = množství tepla, potřebné
k ohřátí 1 kg (1g) soustavy o 1 K.
Q  m .c . t
c
Q
m . t
Jednotka…………….J/K.kg, J/K.g
měrná tepelná kapacita při 20°C
látka
měrná tepelná kapacita při 20°C
[kJ kg-1 K-1]
cín
0,23
hliník
0,9
led
2,1
měď
0,38
mosaz
0,38
olovo
0,13
platina
0,13
síra
0,72
voda
4,2
wolfram
0,13
zlato
0,13
železo
0,45
Molární tepelná kapacita
Značí se (velké) C = množství tepla, potřebné k
ohřátí 1molu soustavy o 1 K.
Q  n .C . t
C 
Jednotka…….J/K.mol
Q
n . t
Kalorimetrická rovnice
Do kalorimetru s kapalinou o hmotnosti m1 a teplotě t1
vložíme těleso o hmotnosti m2 a teplotě t2. Teplota
kapaliny se zvýší na konečnou teplotu t a tělesa se
sníží.Kalorimetr s kapalinou a tělesem budeme
považovat za izolovanou nádobu.Potom teplo Q1
přijaté kapalinou je rovno teplu Q2 odevzdanému
tělesem Q 1  Q 2
Q 1  m 1 c1 ( t  t1 )
Q 2  m 2 c 2 (t 2  t )
m 1 c1 ( t  t1 )  m 2 c 2 ( t 2  t )
Přenos tepla vedením
= přímým dotykem teplejšího a chladnějšího
tělesa. Kmitající částice teplejšího tělesa
předávají vzájemnými srážkami svoji vnitřní
energii tělesu chladnějšímu.
Tento proces probíhá v různých látkách různou
rychlostí.
Podle tepelné vodivosti rozlišujeme látky na
tepelné vodiče a tepelné izolanty.
Hodnoty součinitele tepelné vodivosti
vybraných materiálů při teplotě 25 °C.
Látka
λ (W·m-1·K-1)
Diamant
895-2300
Stříbro
429
Měď
386
Zlato
317
Hliník
237
Mosaz
120
Železo
80,2
Platina
71,6
Olovo
35,3
Rtuť
8,514
Křemen
7.XII
Led
2,2
Sklo
1,35
Voda
0,6062
Olej
0,13
Dřevo
0,04-0,35
Vlna
0,04
Pěnový polystyren
0,033
Vzduch (normální tlak)
0,0262
Přenos tepla prouděním
• Uplatňuje se v kapalinách a plynech
• Zahříváním se mění hustota látek, teplejší
kapalina nebo plyn se přemísťuje do
vyšších vrstev a nastává proudění látky.
Přenos tepla zářením
• Nevyžaduje, aby mezi zdrojem tepla a
zahřívaným tělesem bylo látkové prostředí
• Každé těleso v závislosti na své teplotě
vyzařuje tepelné záření.
• Při dopadu tepelného záření na těleso
mohou nastat tři případy:
– záření se od povrchu odráží
– záření látkou prochází
– záření je látkou pohlcováno