Fyzika pro gymnázia - Molekulová fyzika a termika

Naším úkolem bude poznat, pochopit a vysvětlit základní mechanické a tepelné vlastnosti látek. Budeme např. probírat pružnost a pevnost pevných látek, teplotní roztažnost těles různých skupenství, pozornost soustředíme na tepelné děje v plynech, na povrchové vlastnosti kapalin, na změnu skupenství látek apod. Řada těchto vlastností je vám známa z pozorování jevů kolem nás nebo z učiva fyziky základní školy, popř. z nižších ročníků gymnázia. Naším úkolem bude tyto poznatky doplnit a prohloubit, abyste jich uměli využívat jak ve studiu, tak i v praxi.

Zkoumání fyzikálních vlastností látek začínáme pozorováním a popisem. Našimi smysly vnímáme nejrůznější tělesa a děje, které mezi nimi probíhají. Rozměry těchto těles jsou ale mnohem větší, než jsou rozměry částic, ze kterých se skládají. Proto nám připadá, že vnímané objekty tvoří spojité látky. Tuto představu jste již mnohokrát použili při zkoumání mechanického pohybu těles. Říkáme, že pozorujeme a popisujeme vlastnosti zkoumaných těles z makroskopického pohledu (z řec. slova makros = veliký).

Podobně můžeme zkoumat tepelné jevy, např. změnu teploty při ohřívání jídla, tepelnou výměnu mezi kostkami ledu a nápojem ve sklenici, tepelnou vodivost trubek parního kotle nebo změny skupenství. Výhodou tohoto zkoumání je, že pracujeme s bezprostředně pozorovatelnými veličinami, které lze měřit poměrně jednoduchými přístroji. Využíváme také zákona zachování a přeměny energie, ale neuvažujeme složení látek z atomů a molekul. Takto zvolený postup se nazývá termodynamická metoda (z řec. slova thermos = teplý, horký). 

Chceme-li vlastnosti látek vysvětlit, musíme se zabývat jejich strukturou a složením, protože vlastnosti látek jsou na struktuře závislé. Tento poznatek se používá také v chemii a biologii. Proto se v učivu molekulové fyziky podrobněji seznámíte s částicovou strukturou plynu, pevné látky a kapaliny. Současně budete uvažovat pohyb částic a jejich vzájemné působení. Tento přístup ke studiu vlastností látek složených z obrovského počtu částic se  nazývá statistická metoda, protože se při ní velmi často využívá poznaků z teorie pravděpodobnosti a z matematické statistiky.

Na jednoduchých příkladech a úlohách se naučíte používat obě uvedené metody. Poznáte také zákony a vztahy, kterými se řídí tepelné jevy, a tak lépe pochopíte jejich využití v technice i v běžném životě.   

Zjednodušené modely částicové struktury látek, které budete používat, nemohou vysvětlit všechny fyzikální jevy. Současná fyzika vychází při zkoumání struktury látek a jejich vlastností z poznatků kvantové fyziky. S tímto oborem fyziky se seznámíte v dalším studiu.

1   Základní poznatky molekulové fyziky a termodynamiky 

• 1.1  Kinetická teorie látek
• 1.2  Vzájemné působení částic. Potenciální energie částic
• 1.3  Rovnovážný stav soustavy
• 1.4  Teplota a její měření
• 1.5  Termodynamická teplota
• Shrnutí učiva 1. kapitoly  

2   Vnitřní energie, práce a teplo 

• 2.1  Vnitřní energie tělesa
• 2.2  Změna vnitřní energie při konání práce
• 2.3  Změna vnitřní energie při tepelné výměně. Teplo
• 2.4  Měrná tepelná kapacita
• 2.5  Kalorimetrické rovnice
• 2.6  První termodynamický zákon
• 2.7  Přenos vnitřní energie
• Shrnutí učiva 2. kapitoly  

3   Struktura a vlastnosti plynného skupenství látek 

• 3.1  Ideální plyn
• 3.2  Rozdělení molekul plynu podle rychlostí
• 3.3  Střední kvadratická rychlost
• 3.4  Vnitřní energie a teplota ideálního plynu z hlediska molekulové fyziky
• 3.5  Tlak ideálního plynu z hlediska molekulové fyziky
• 3.6  Stavová rovnice ideálního plynu stálé hmotnosti
• 3.7  Izotermický děj s ideálním plynem stálé hmotnosti
• 3.8  Izochorický děj s ideálním plynem stálé hmotnosti
• 3.9  Izobarický děj s ideálním plynem stálé hmotnosti
• 3.10  Adiabatický děj s ideálním plynem stálé hmotnosti
• Shrnutí učiva 3. kapitoly 

4   Kruhový děj s ideálním plynem 

• 4.1  Práce vykonaná plynem při stálém a proměnném tlaku
• 4.2  Kruhový děj
• 4.3  Druhý termodynamický zákon 
• 4.4  Tepelné motory
• Shrnutí učiva 4. kapitoly 

5   Struktura a vlastnosti pevných látek 

• 5.1  Krystalické a amorfní látky
• 5.2  Ideální krystalová mřížka
• 5.3  Poruchy krystalové mřížky
• 5.4  Deformace pevného tělesa
• 5.5  Síla pružnosti. Normálové napětí
• 5.6  Hookeův zákon pro pružnou deformaci tahem
• 5.7  Teplotní roztažnost pevných těles
• 5.8  Teplotní roztažnost pevných těles v praxi
• Shrnutí učiva 5. kapitoly 

6   Struktura a vlastnosti kapalin 

• 6.1  Povrchová vrstva kapalin
• 6.2  Povrchová síla
• 6.3  Povrchové napětí
• 6.4  Jevy na rozhraní pevného tělesa a kapaliny
• 6.5  Kapilární jevy
• 6.6  Teplotní objemová roztažnost kapalin
• Shrnutí učiva 6. kapitoly 

7   Změny skupenství 

• 7.1  Tání
• 7.2  Tuhnutí
• 7.3  Změny objemu těles při tání a tuhnutí. Závislost teploty tání na vnějším tlaku
• 7.4  Sublimace a desublimace
• 7.5  Vypařování a kapalnění
• 7.6  Sytá pára
• 7.7  Fázový diagram
• 7.8  Vodní pára v atmosféře
• Shrnutí učiva 7. kapitoly 
• Rejstřík 

OBSAH CD 

Rozšiřující učivo molekulové fyziky a termiky 

• R1   Stručný historický přehled vývoje názorů na strukturu látek
• R2   Modely struktur látek různých skupenství
• R3   Rovnovážný stav soustavy jako stav s největší pravděpodobnosti výskytu
• R4   Realizace termodynamické teplotní stupnice použitím plynového teploměru
• R5   Vedení tepla stejnorodou deskou
• R6   Graf rozdělení molekul podle velikosti jejich okamžitých rychlostí
• R7   Interpretace střední kvadratické rychlosti
• R8   Odvození základní rovnice pro tlak ideálního plynu
• R9   Typy stavové rovnice pro ideální plyn
• R10  Stavové změny ideálního plynu z energetického hlediska
• R11  Plyny při nízkém a vysokém tlaku
• R12  Výpočet práce plynu při stálém tlaku
• R13  Předávání tepla z hlediska molekulové fyziky
• R14  Typy krystalů podle vazeb mezi částicemi
• R15  Chladící stroj a tepelné čerpadlo

Teoretická cvičení 

• Cvičení 1 - Relativní atomová a molekulová hmotnost. Látkové množství. Molární veličiny
• Cvičení 2 - Změna vnitřní energie soustavy při konání práce a při tepelné výměně
• Cvičení 3 - Stavová rovnice ideálního plynu
• Cvičení 4 - Tepelné děje s ideálním plynem
• Cvičení 5 - Práce ideálního plynu. Kruhový děj
• Cvičení 6 - Deformace pevného tělesa 
• Cvičení 7 - Teplotní roztažnost pevných látek
• Cvičení 8 - Tepelná výměna při změně skupenství látek

Laboratorní cvičení 

• Cvičení 1 - Přibližné určení průměru molekuly kyseliny olejové
• Cvičení 2 - Určení měrné tepelné kapacity pevné látky a měření teploty užitím směšovacího kalorimetru 
• Cvičení 3 - Ověření Hookeova zákona
• Cvičení 4 - Určení povrchového napětí kapaliny z kapilární elevace
• Cvičení 5 - Určení povrchového napětí kapaliny kapkovou metodou
• Cvičení 6 - Určení měrného skupenského tepla tání
• Cvičení 7 - Určení měrného skupenského tepla varu

Testové úlohy