Tělesa a látky

Co je těžší? Kilo železa, nebo kilo peří?

Komu někdy spadla na nohu železná činka, mohl by si myslet, že kilo železa je mnohem těžší. Ale kilogram a kilogram je stejná hmotnost. Liší se jen objemem.

Bylo by tedy dobré mít nějakou veličinu popisující, jak je něco těžké na jednotku objemu. A právě to je hustota. Značíme ji \rho, má jednotku kg/m³ a spočítá se přesně tak, jak jsme to řekli slovně – hmotnost dělíme objemem.

\rho=\frac{m}{V}

Na rozdíl od hmotnosti je hustota vlastností látek, a proto ji najdeme v tabulkách (např. hustota železa je kolem 7800 kg/m³ ať jde o hřebík nebo tank).

Pokud chceme pomocí \rho=\frac{m}{V} počítat hmotnost nebo objem, můžeme (vztahový trojúhelník) dojít k tvarům m=\rho V a V=\frac{m}{\rho}.

Látky kolem nás existují v mnoha formách. Pro ty nejzákladnější odlišnosti různých forem (schopnost držet stálý tvar nebo objem) se zavádí rozdělení na skupenství. Existují skupenství pevné, kapalné a plynné. Jako čtvrté skupenství se někdy označuje plazma.

Například látka jménem VODA se kolem nás běžně vyskytuje pevném (led), kapalném (voda z kohoutku) i plynném (vodní pára nad hrncem) skupenství.

Kapaliny a plyny označujeme souhrnně jako tekutiny.

Pevné skupenství

• stálý objem (nestlačitelné), stálý tvar a struktura (působením vnější síly ale je možná deformace/rozbití)
• částice látky jsou pevně provázány (vůči sobě se nepohybují, drží „formaci“)

Kapalné skupenství

• stálý objem (kapaliny jsou téměř nestlačitelné), proměnný tvar (přizpůsobuje se nádobě, ve které se nachází), je ohraničené (hladina rybníka, tvar kapky)
• částice látky na sebe slabě působí (ale vzájemně se pohybují)

Plynné skupenství

• snadno mění objem (vnější silou), proměnný tvar (přizpůsobuje se nádobě, ve které se nachází), nemá jasnou hranici
• částice látky se volně pohybují, jsou mezi nimi velké mezery, působí na sebe jen během srážek

Plazma

• skoro stejné jako plyn, ale některé částice jsou elektricky nabité (ionty a elektrony), vede tedy elektrický proud, obvykle svítí
• jde například o blesky, některé typy osvětlení, polární záři, ale i hvězdy nebo mlhoviny
• podle některých kritérií nejde o „opravdové“ skupenství

Pokud látce dodáváme, nebo odebíráme energii (např. ohříváme nebo ochlazujeme), může dojít ke změně jejího skupenství. Jednotlivé změny skupenství jsou znázorněny na diagramu níže:

U přeměny kapaliny na plyn je dobře znám i pojem var. Jde o typ vypařování, kdy se kapalina přeměňuje na plyn v celém objemu (a ne pouze na svém okraji).

Tání, vypařování a sublimace spotřebovávají energii (musíme dodávat teplo). Při tuhnutí, kondenzaci a desublimaci se energie naopak uvolňuje. Tato energie souvisí se samotným procesem přeměny (ne se změnou teploty).

Pokud jde o plazma, to není skupenstvím v pravém slova smyslu, protože mezi plynem a plazmatem není ostrá hranice (změnu na plazma bychom ale mohli označit jako ionizaci plynu).

Podle struktury můžeme rozdělit pevné látky na krystalické (pravidelná struktura), amorfní (nepravidelná struktura) a polykrystalické. Na struktuře záleží i to jestli se látka chová ve všech směrech stejně. Taková látka je izotropní. Pokud tomu tak není (například kusy slídy se dobře lámou pouze v určitém směru), říkáme, že je látka anizotropní.

Krystalické látky

Částice jsou pravidelně rozmístěny v tzv. krystalové mřížce. Obecně mohou být anizotropní. Jde třeba o diamant, tuhu, krystalky síry, nebo led.

Amorfní látky

Částice nejsou v prostoru nijak uspořádány. Rozmístění je náhodné. I proto se látka vždy chová izotropně. Například jde o umělé látky, vosky nebo sklo.

Polykrystalické látky

Jde o takový hybrid mezi předchozími. Mnoho malých pravidelných zrn (krystalků) naskládaných a natočených náhodně. Patří sem všechny kovy.

Základní typy krystalové mřížky

Nejmenším celkem mřížky je elementární buňka. Může mít různý tvar (podle toho rozlišujeme různé krystalické soustavy) a taky různé rozmístění částic. Prostá buňka mřížky je tvořena jen částicemi v jejích rozích. Pokud mřížku tvoří prostorově centrované buňky, obsahují navíc jednu částici uprostřed. Plošně centrovaná buňka má navíc částici ve středu každé své stěny. Nejlépe je to vidět na krychlové mřížce:

• prostá
• prostorově centrovaná
• plošně centrovaná

Mřížkový parametr

Udává základní rozměr buňky. Většinou je to velikost hrany krychle/kvádru. Rozměrově bývá v jednotkách Ångstromů.

Ångstrom?

V atomární fyzice i v dalších partiích se můžete setkat se zvláštními jednotkami označovanými A s kroužkem: Å. Metry jsou pro tento způsob využití příliš velké. Základní převodním vztahem je: 1 nm = 10 Å

Délková roztažnost

• důležitá pro tělesa, u nichž jeden rozměr výrazně převažuje nad zbývajícími dvěma (drát, koleje, apod.)
• pro výpočet potřebujeme mj. znát počáteční délku a rozdíl teplot
• základní vzorec pro délku tělesa

l = l_0\left[1-\alpha (t-t_0)\right] = l_0\left(1-\alpha \Delta t\right)

• l_0 – délka při teplotě t_0
• l – délka při teplotě t
• \alpha – teplotní součinitel délkové roztažnosti (závisí na materiálu)

těleso se tedy prodlouží o délku l = l_0 \alpha (t-t_0)

Nezapomeňte, že rozdíl teplot může být jak ve stupních Celsia, tak v Kelvinech!
\Delta t = \Delta T

Teplotní součinitel délkové roztažnosti

• udává, o kolik se prodlouží těleso o velikosti 1 m při ohřátí/ochlazení o 1˚C (1K)
• jednotka K^{-1}, příp. ^\circC^{-1}
• hodnota \ll 1

Objemová roztažnost

V = V_0\left[1-\beta (t-t_0)\right] = V_0\left(1-\beta \Delta t\right)

• V_0 – objem při teplotě t_0
• V – objem při teplotě t
• \beta – teplotní součinitel objemové roztažnosti (závisí na materiálu)

Teplotní součinitel objemové roztažnosti

• udává, o kolik se změní objem tělesa o objemu 1 m^3 při ohřátí/ochlazení o 1˚C (1K)
• jednotka K^{-1}, příp. ^\circC^{-1}
• hodnota \ll 1
• přibližně platí \beta \approx 3\alpha

Magnety na sebe mohou působit magnetickými silami. Ty (podobně jako elektrické síly) mohou být přitažlivé i odpudivé.

Magnet má vždy dva magnetické póly severní a jižní (i kdybychom magnet rozpůlili, budou oba úlomky magnety mít dva póly). Česky se póly označují jako S a J, anglicky jako N a S (north a south). Severní pól může být označen barevně (červeně).

Opačné póly se přitahují a souhlasné póly se odpuzují a to tím víc, čím blíž jsou u sebe.

K magnetům se přitahují železné věci. Používají se tedy například u modernějších kuchyňských dvířek, ve chňapkách na vaření aj. Dále je najdeme třeba v klasických HDD nebo magnetických tabulích. Přírodním magnetem je hornina magnetovec, uměle je vyrábíme například z neodymu, nebo feritů.

Látky kolem nás můžeme dělit podle toho, jak reagují na blízkost trvalého magnetu.

1. nemagnetické – vůbec na magnet nereagují
2. magnetické – těleso se začne přitahovat k magnetu

Nemagnetické jsou všechny kapaliny, všechny plyny a většina pevných látek (např. guma, plast, dřevo). Magnetickými látkami se běžně myslí tzv. feromagnetické materiály. Je jich jen málo, zejména jde o některé kovy (např. železo, ocel), ale zdaleka ne všechny (třeba měď nebo hliník magnetické nejsou).

Na rozdíl od dvou magnetů se těleso z feromagnetického materiálu k magnetu vždy přitahuje. Vlastně se tedy samy stávají magnety, ale jen dočasně – dokud jsou poblíž trvalého magnetu.