3. Molekulová fyzika

Teplota a jej meranie

Termodynamická teplota T je teplota telesa vyjadrená v Kelvinoch.

Kelvin K je 273,16-ta časť termodynamickej teploty trojného bodu vody.

Celziova teplota t sa definuje pomocou termodynamickej teploty T vzťahom:
t = ( T - 273,15 ) °C

Trojný bod vody je rovnovážny stav sústavy: ľad + voda + nasýtená para. Bola mu pridelená teplota Tr = 273,16 K = 0,01 °C.

Príklady:
0 K = -273,15 °C
0 °C = 273,15 K
100 °C = 373,15 K
20 °C = 293,15 K
-100 °C = 173,15 K
0 K = - 273,15 °C
373,15 K = 100 °C

Meranie teploty:

  • teplomery - ortuťový, liehový,
  • infrakamery

Teplotu telesa možno meniť:

  1. konaním práce (trenie bŕzd)
  2. výmenou tepla
  3. vedením - z teplejšieho na chladnejšie,
  4. žiarením - tepelné (ohrievač), svetelné (Slnko), UV, gama
  5. prúdením - prenos teplej látky
    • nútené, napríklad čerpadlom, ventilátorom,
    • samovoľné gravitačné, napríklad teplá voda stúpa hore. Samovoľné prúdenie je spôsobené nižšou hustotou zohriatej látky.

Tepelná vodivosť je schopnosť látky prenášať teplo vedením. Tepelné vodiče sú kovy. Tepelné izolanty sú umelé hmoty, drevo, sklo, neprúdiaci vzduch (napr. penový polystyrén).

Základné poznatky

Tepelný pohyb je neusporiadaný pohyb častíc.

Druhy tepelných pohybov:

  • kmitanie - pohyb okolo rovnovážnej polohy
  • difúzia - prenikanie častíc z jednej tekutiny do druhej
  • Brownov pohyb - pohyb častice po určitej trajektórii

Vnútorná energia sústavy sa skladá z tepelnej energie (pohyb častíc) a tlakovej energie (vzájomné silové pôsobenie častíc).

Teplo Q je zmena vnútornej energie sústavy telies. Hovoríme, že teleso prijalo (odovzdalo) teplo. Jednotka je Joule [džaul], J. Staršia jednotka pre prácu bola kalória, cal. 1 cal = 4,2 J .

Výhrevnosť paliva je množstvo tepla, ktoré možno uvoľniť spálením jednotkového množstva paliva (1 kg, 1 liter a pod). Napríklad benzín má 60 MJ/liter.

Plyny, tepelné stroje

Stavová rovnica pre ideálny plyn:
p . V / T = konšt.

Ak sa zmení jedna veličina, úmerne sa zmení aj iná.

Príklady:

  1. pri zvýšení teploty stúpne tlak (spaľovanie paliva vo valci motora),
  2. pri roztiahnutí plynu klesne teplota (výparník v chladničke),
  3. pri stalčení plynu stúpne teplota (stlačenie vzduchu vo valci naftového valca sa silne zahreje).

Tepelný stroj - premieňa tepelnú energiu na mechanickú. Princíp: pracovná látka pri rozpínaní (zväčovaní objemu) koná prácu.

Časť energie plynu sa premení na mechanickú prácu stroja. Účinnosť tepelného stroja ?

je podiel vytvorenej mechanickej práce W1 a dodanej práce W (energie paliva).
? = W1 / W ..... (%)

Účinnosť je vždy menšia ako 100 %. Účinnosť spaľovacieho motora je asi 30 %.

Rozdelenie tepelných strojov:

a) podľa pracovnej látky
- parné
- spaľovacie
b) podľa konštrukcie
- piestové - majú valec s piestom
- turbíny - obsahujú lopatky, ktoré sa roztočia priechodom plynu
- raketové - obsahujú otvor (trysku) ktorou uniká látka

Používajú sa dva typy piestových spaľovacích motorov:

  • zážihové (benzínové) - palivo sa zapaľuje iskrou, palivo je zmes vzduchu a benzínu, alebo zemného plynu,
  • vznetové (Dieselové, naftové) - do stalčeného silne zahriatého plynu sa vstrekuje palivo - nafta.

Tuhé látky

  • kryštalické - majú kryštalickú mriežku = pravidelné usporiadanie častíc na veľkú vzdialenosť. Napríklad monokryštály (kremeň, soľ) a polykraštalické látky (kovy, zeminy, íly),
  • amorfné - rozmiestnenie atómov je iba približne pravidelné, už na malú vzdialenosť sa porušuje. Napríklad sklo, živica, vosk, asfalt.

Topenie - je zmena kryštalickej látky na kvapalinu. Teplota topenia závisí od tlaku. Napríklad stlačený freón je kvapalina. Amorfné látky nemajú teplotu topenia, ale určitý rozsah teplôt pri ktorých sa topia.

Tuhnutie je premena kvapalného telesa na tuhé.

Skupenské teplo topenia Lt je teplo (energia) potrebné na roztopenie tuhého telesa na kvapalinu s tou istou teplotou a hmotnosťou.

Sublimácia je premena tuhého telesa na plynné. Napríklad ľad v mraze, gáfor pri bežnej teplote.

Teplotná rozťažnosť je zväčšovanie rozmerov aj objemu telies pri zvyšovaní teploty. Využitie rozťažnosti: teplomery, spájanie predmetov, dvojkov (bimetal) - pri zmene teploty sa ohne - žehlička, tepelné relé v stykači.

Deformácia tuhých telies

Deformácia je zmena tvaru a rozmerov spôsobená vonkajšími silami.

Pružná (elastická) deformácia - po skončení deformovania nadobudne telesom pôvodný tvar.

Tvárna (plastická) deformácia je trvalá.

Deformovať možno:

  • ťahom - 2 sily opačného smeru smerom von
  • tlakom - 2 sily opačného smeru do vnútra
  • ohybom - podopretie na koncoch, sila pôsobí kolmio v strede
  • šmykom - na hornú a dolnú podstavu telesa pôsobia sily opačného smeru
  • krútením - 2 silové dvojice s opačnými krútiacimi momentmi

Kvapaliny a plyny

Povrchové napätie je sila, ktorá vťahuje molekuly v povrchovej vrstve do vnútra kvapaliny. Táto vrstva sa chová ako pružná blanka.

Vyparovanie je premena kvapaliny na paru, prebieha pri akejkoľvek teplote. Vyparujúca sa kvapalina prijme skupenské teplo vyparovania, preto sa predmety, z ktorých sa odparuje ochladzujú.

Var - vyparovanie aj vo vnútri (bublinky). Teplota varu je vyššia pri vyššom tlaku.

Kondenzácia - para sa mení na kvapalinu.

Nasýtená vodná para je para, ktorá je v rovnovážnom stave so svojou kvapalinou, napr. v uzavretom priestore s vodou.

Vlhkosť vzduchu:

  1. absolútna vlhkosť F je hmotnosť pary m v danom objeme vzduchu V : F = m / V
  2. relatívna j - je podiel husoty vodnej pary a hustoty nasýtenej vodnej pary pri rovnakej teplote a tlaku j = rp / rs

Relatívna vlhkosť sa meria vlasovým vlhkomerom.

Teplota rosného bodu je teplota, pri ktorej sa prehriata vodná para stane nasýtenou, pri ďalšom znižovaní teploty kondenzuje.