Podstawowe równanie torii kinetyczno-cząsteczkowej gazu doskonałego. W czasie T ze ścianką zderza się nie tylko jedna cząsteczka, ale więcej. Liczba tych cząsteczek to x. Załóżmy że wszystkie cząsteczki poruszają się prostopadle do ścianek naczynia i zajmuje się ciśnieniem wywieranym jednąze ścianek. Poruszająca się swobodnie, prostopadle do ścianki cząsteczka przebędzie odległość l między przeciwległymi ściankami w czasie t=l/Vśr. W tym czasie t zderzy się ze ścianką NA/6 cząsteczki(ponieważ jest 6 jednostkowych ścianek). Jeśli w czasie t zderzy się ze ścianką NA/6 cząsteczek, a w czasie T zderzy się x cząsteczek, to z prostej prop. x/(NA6)=T/t wynika, że x=(NA/6)*T/t. Wobec tego ciśnienie p wywierane przez x cząsteczek będzie większe niż ciśnienie wywierane przez jedną cząsteczkę, zatem p=xp1=NAT/6T*2mVśr/ST, czyli p=NA/6*2mVśr/tS. Ponieważ t=l/Vśr, więc p=NA/6*2mVśr2/V=2NA/3V, 2 jest średnią energią kinetyczną cząsteczek. Wyrażenie to pozwala obliczyć ciśnienie gazu, jeśli znana średnia energia kinetyczna cząsteczek i liczba tych cząsteczek w jedności objętości gazu. Średnia energia kinetyczna cząsteczek gazu doskonałego jest z kolei związana z temp bezwzględną w sposób następujący: EK=3/2kT, ponieważ współczynnik B w wyrażeniu EK=E-E0 dla jednostkowego gazu doskonałego przyjmuję wartość 2/3K, gdzie K jest stałą Boltzmana. Wobec tego wyrażenie można przedstawić w postaci pV=NAKT, albo też oznaczając iloczyn NAK przez R. Wartość współczynnika R, zwanego stałą gazową lub stałą Clapeyrona, wynosi 8,31J*mol-1K-1. Równanie stanu gazu doskonałego zawiera trzy tzw. Parametry stanu, w tym przypadku-ciśnienie, objętość i temp. Jeśli weźmiemy pod uwagę dowolną masę m gazu o masie molowej M, zawierającego n cząsteczek i z moli, to równanie stanu można przedstawić w jednej z następujących postaci: pV=RT dla stałej i ilości gazu. Przy stałej temp (T=const)równanie stanu przyjmuję postać pV=const(pr. Boyle'a-Mariotte'a), co oznacza, że ciśnienie gazu zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do jego objętości. Proces gazowy, który przebiega zgodnie z prawem Boyle'a-Maritte'a, nazywamy procesem izotermicznym. Zależność ciśnienia od objętości w procesie izotermicznym wykreślona w układzie(p,V0jest krzywą zwaną izotermą.
Gaz rzeczywisty-równanie Van Der Waalsa. Opis stanu gazu rzeczywistego wymaga uwzględnienia zarówno objętości własnej każdej z cząsteczek, jak i sił molekularnych działających między nimi. Po wprowadzeniu odpowiednich poprawek otrzymuje się równanie Van Der Waalsa, które w sposób przybliżony opisuję stan gazu rzeczywistego i dla jednego mola gazu ma postać(p+a/V2)(V-b)=RT, gdzie p, V i T oznaczają odpowiednio ciśnienie, objętość i temp, natomiast a i b są stałymi. Stałe a i b można określić eksperymentalną. Wyrażenie a/V2 określa tzw. ciśnienie wewnętrzne. Jest ono wynikiem sił między cząsteczkowych. Gaz doskonały rozprężający się ciśnieniem wykonuje pracę tylko przeciwko zewnętrznym siłom ściskającym, gaz rzeczywisty natomiast w tej samej sytuacji wykonuje pracę, pokonując zarówno siły zewnętrzne, jak i wewnętrzne działanie sił molekularnych ciśnienia wewnętrznego. Stała b jest związana z objętością własną cząsteczek zawartych w 1 molu gazu: jest równa czterokrotnej objętości własnej cząsteczek wchodzących w skład 1 mola.
Izotermy Van Der Waalsa teoretyczne, doświadczalne. Równanie Van Der Waalsa ze względu na objętość V jest równaniem trzeciego stopnia. Badając to równanie z matematycznego punktu widzenia, można wykreślić krzywą zależności p od V dla różnych stałych wartości T. Izotermy przyjmują postać izoterm Boyle'a-Mariotte'a w wysokich temp. W temp niższych wraz ze zmniejszeniem objętości, ciśnienie początkowo wzrasta, osiąga pewną max wartość, następnie zmniejsza się, po czym gwałtownie wzrasta. Gaz rzeczywisty tylko w przybliżeniu zachowuje się zgodnie z równaniem Van Der Waalsa- pot izotermy eksperymentalne dla gazu rzeczywistego. Część izotermy równoległa do osi odciętych odpowiada procesowi skrócenia się gazu. Dla ciśnień i objętości odpowiadających tym prostym odcinkom, substancja występuje jednocześnie w stanie gazowym i ciekłym. Część krzywej z prawej strony tego odcinka opisuje zachowanie gazu rzeczywistego, a część krzywej z lewej strony opisuje zachowanie się cieczy. Krzywa odgradzająca izotermy, w których istnieje ów odcinek poziomy, od tych w których on nie istnieje, nazywamy izotermą krytyczną, a odpowiadającą jej temp krytyczną TK. Gaz i temp, wyższej od temp krytycznej nie daje się skroplić pod żadnym ciśnieniem. Gaz, którego temp jest niższa od temp krytycznej, nazywamy zwykle parą. Równanie Van Der Waalsa opisuje więc nie tylko zachowanie się gazu rzeczywistego lecz również ujmuje proces skraplania się gazów i właściwości powstałych z niczego.
Przejścia fazowe. Fazą nazywamy jednolitą chemicznie część, różniącą się od pozostałych, właściwościami fizycznymi. Każdy gaz może występować wyłącznie jako faza. Podobnie zachowują się ciecze jednoskładnikowe. Ciała stałe natomiast mogą występować w różnych fazach krystalicznych. Każda faza jest trwała w warunkach tzn w określonym zakresie temperatur i ciśnień. Zaburzenie równowagi prowadzi do przemiany fazowej, czyli do przejścia z jednej fazy w inną. Przemianą fazową pierwszego rodzaju nazywamy taką przemianę, podczas której zmieniają się w sposób skokowy gęstości, funkcje termodynamiczne stanu, tzn energia wewnętrzna, entropia swobodna i energia swobodna Gibbsa, przy czym przemiana ta zawsze towarzyszy wydzielaniu lub pobieranie pewnej ilości cieczy, ilości ciepła odniesioną do jednostki masy danej substancji nad ciepłem danej przemiany fazowej. Przykładem przemian fazowych rodzaju są zmiany stanu skupienia. Przejściu substancji z jednego skupienia w drugi towarzyszą zmiany charakteru ułożenia cza... Stan skupienia zależy od warunków zew, a mianowicie temp i ciśnienia.
Wykres równowagi fazowej↑. Przedstawia on wszystkie współrzędne równowagi fazowej(tzn. krzywe opisujące stany równowagi między fazami układu) danej substancji we współrzędnych p i T, które oddzielają obszary jednofazowe. Równowagą fazową nazywamy równowagę dynamiczną układu wielofazowego tzn. stany współ ciśnienia kilku postaci.
Fale elektromagnetyczne, powstawanie, podział. Widma fal elektromagnetycznych na zakresy. Falą elektromagnetyczną nazywamy falę przenoszącą energię za pośrednictwem rozchodzących się w przestrzeni zmiennych pól elektrycznych i magnetycznych. Powstających w wyniku dowolnego zaburzenia elektrycznego zmienne pole magnetyczne jest źródłem zmiennego pola elektrycznego. Powstała w ten sposób fala elektromagnetyczna rozchodzi się w próżni ze stałą prędkością równą ok. c=3*108m*5-1.
Zmienne pole charakteryzuje się zmiennymi wartościami natężenia pola, co oznacza, że w każdym punkcie pola wektor natężenia wzrasta i maleje wraz z upływem czasu, a więc w pewnym sensie drga. Wektor natężenia pola elekt. E i wektor indukcji pola magnet. B w zmiennym polu elektromagnet. zmieniają szereg zarówno swoje wartości bezwzględne ,jak i kierunki. Dlatego falę elektromag. można zdefiniować jako rozchodzenie się w przestrzeni drgań wektora elektrycznego E i drgan wektora mag. B. Fala elektromag. jest falą poprzeczną. Drgania wektora E i drganie wektora B odbywają się w kierunkach prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali. Wektory E i B są względem siebie zawsze skierowane prostopadle. Wektory te na ogół drgają w różnych kierunkach pozostając stale pod kątem prostym względem siebie oraz względem kierunku rozchodzenia się fali. Jeżeli żaden kierunek drgań wektora E nie jest uprzywilejowany ,mówimy że fala jest liniowo niespolaryzowana. Jeżeli wektory E drgają tylko w jednej płaszczyźnie to falę taką nazywamy spolaryzowaną liniowo. W zależności od długości fali lub częstości zwyczajowo dzieli się całe widmo elektromagnet. na zakresy: długości i częstości. Zakresy dzieli się na podzakresy. Np. fale radiowe można podzielić na fale długie(od 10000m-1000m),średnie(1000-100m),krótkie(100-10m),ultrakrótkie(10m-1dm),mikrofale(1dm-0,1mm). Dualizm korpuskularno-falowy. Fotoefektywność. Teoria światła umożliwia wyjaśnianie takich zjawisk jak defrakcja, interferencja ,dyspersja i polaryzacja a także załamanie i odbicie światła. Zaobserwowano jednak pewne zjawiska, których nie można wyjaśnić na podst .teorii falowej. Należy do nich m.in. zewnętrzny efekt elektryczny(fotoefekt). Polega on na tym że płytka metalu naświetlona falami o dostatecznie dużej częstości emituje na zewnątrz swobodne elektrony(fotoelektrony). Światło padające na płytkę metalową wybija z niej elektrony e o energii kinetycznej mc=2/2. 1.Liczba fotoelektronów wybiegających z metali w jednostce czasu jest wprost proporcjonalna do natężenia padającego światła.2. prędkości wyjściowe elektronów nie zależą od natężenia światła. 3.Energia kinetyczna, z jaką wybiegają najszybsze fotoelektrony jest zależna liniowo od częstości v drgań wyzwalającego je światła, przy czym mv2/2=hWw gdzie mv2/2 jest energią kinetyczną wybitego fotoelektronu o masie m, prędkości v, stały współczynnik proporcjonalności h, W praca wyjścia równa energii, którą światło padające oddaje elektronowi, aby go wydobyć z metalu. Wartość liczbowa pracy wyjścia zależy od rodzaju naświetlonej substancji i dla danej substancji jest wielkością stałą. Promieniowanie jonizujące źródła i rodzaje promieniowania. Promieniowanie jonizujące jest to każde promieniowanie zarówno falowe jak i korpuskularne zdolne do wywołania jonizacji. Fala elektromagnetyczna o tych właściwościach to promienie rentgenowskie i gamma. Do najprostrzych cząstek jonizujących należą cząstki alfa i beta. Jonizację wywołują również inne cząstki naładowane przechodzące przez materie np. protony oraz neutrony. Atom może ulec zjonizowaniu jeśli zostanie mu dostarczona energia nie mniejsza od energii wiązania elektronu walencyjnego. Do wytworzenia w powietrzu jednej pary jonów potrzeba 34 eW energii. Cząstka alfa o energii początkowej 8,77 MeV wytwarzanej w powietrzu na drodze 1cm około 32000 par jonów. Cząstki alfa charakteryzuje najmniejszy zasięg ,cząstki beta uzyskują większe zasięgi a kwanty gamma największe. Przed zewnętrznym promieniowaniem alfa możemy ochronić się za pomocą kartki papieru, promienie beta można zatrzymać w cienkiej warstwie szkła lub mosiądzu. Do ochrony przed promieniowaniem gamma stosuje się osłony ołowiane o grubościach zależnych od energii i promieniowania. Cząstka alfa porusza się w absorwencie po torach prostoliniowych. Cząstki beta przechodząc przez materiał tracą energię w wyniku jonizacji i pobudzenia napotkanych atomów. Promieniowanie gamma traci w ośrodku subsydarnym swą energię w wyniku trzech procesów: efektu fotoelektrycznego, efektu Comptona i efektu tworzenia par. Dezaktywacja promieniowania gamma. Jest to efekt fotoelektryczny charakterystyczny dla promieniowania miękkiego, polega na oddawaniu przez kwant całej energii elektrycznej napotkanemu na drodze: cała energia padającego kwantu zostaje zaabsorbowana przy czym elektron zostaje wyrzucony z atomu. Efekt Comptona. Polega na częsciowym oddaniu energii kwantu elektr.. Kwant przekazując część swojej energii zmniejsza własną energię i biegnie dalej w zmienionym kierunku jako kwant rozproszony o większej długości fali. Promieniowanie przechodząc przez materię powoduje powstawanie cząsteczek wzbudzonych, jonów i wolnych rodników. Te ostatnie są utworami o niesparowanej liczbie elektronów i charakteryzują się dużą aktywnością chemiczną. Kwantowa natura światła w procesach absorbcji emisji. Światło jest falą elektromagnetyczną z której oscylacje elekt. i magnet. zachodzą w kierunkach prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali. Na energię cząsteczki składają się energia elektronowa Ee związana z poziomami energetycznymi, energia oscylacyjna jest związana z ruchami drgającymi atomów wchodzących w sklad cząsteczki, energia rotacyjna związana z ruchem obrotowym cząst. Wszystkie te energie są skwantowane. Zmiany zachodzą zarówno w elektronowych oscylacyjnych i rotacyjnych stanach cząst. Absorbowana bądź emitowana przez nią energia E=hγ jest sumą 3 skladników E=Ee+Eosc+Er. Absorbcja-zjawisko absorbcji opisuje prawo Lamberta-Beera według tego prawa natężenie promieniowania przechodzącego przez ośrodek zależy od natężenia światła padającego I0, grubości warstw absorbujacej l, stężenia c oraz rodzaju cząst. absorbujących. Współczynnik absorbcji-liczbowo wyraża on absorbcję roztworu o stężeniu jednostkowym C=1g/dm3 i grubości warstwy l=1cm. Fotosynteza, proces widzenia. Promienie słoneczne dochodzące do ziemi w znacznej mierze są wykorzystywane przez rośliny. Energia promieniowania słonecznego pochłonięta przede wszystkim przez chloroplasty wyspecjalizowanych komórek zielonych zostaje magazynowana w postaci energii chem. w wiązaniach węglowodanów. W czasie fotosyntezy uwalnia się do atmosfery cząst. tlen. Proces przemian bioenergetycznych nie kończy się na fotosyntezie. W dalszym ciągu glukoza zostaje zużyta w obecności tlenu w wyniku procesu zwanego oddychaniem tlenowym. W czasie zostaje zmagazynowana w ATP, a stąd z kolei komórki czerpią energię do swojej dzialalności. Produktem spalania glukozy są CO2 i H2O. Głównym elementem tego fotobiologicznego procesu jest rak. fotochem. w której trakcie energia pochłoniętego kwantu światła przekształca się w inną energię. Podstawową reak. jest synteza substancji organicznej z substancji np. CO2 i H2O. Innymi produktami fotosyntezy mogą być białka tłuszcze itp. Proces fotosyntezy przebiega w chlorofilu. Pod wpływem pochłoniętego światła chlorofil zostaje wzbudzony tzn. elektrony i cząst. chlorofilu są przenoszone na wyższe poziomy energetyczne. W procesie fotosyntezy zachodzi ok.100 reak biochemicznych z których tylko jedna odbywa się przy udziale światła. Falowa natura światła. Polaryzacja. Polarycacja światła-uporządkowanie kierunkow drgań wektorów elektrycznego i magnet fali świetlnej. Światło jest falą poprzeczną i wobec tego może ulegać polaryzacji. Światło można spolaryzować 3 sposobami:1.przez odbicie od powierzchni dielektrykow.2.przez przejście światła przez filtr polaryzacyjny.3.przy przejściu światła przez ciała anizotropowe. Przewodnictwo temp. Wraz z rozchodzeniem się ciepła w danym ciele jego temp się zmienia. Proces rozprzestrz się temp nazywamy przewodnictwem temp. Prędkość rozchodzenia się zmian temp zależy od współprzewodnictwa cieplnego ciała oraz jego ciepła właściwego i gęstości. Wielkość H charakteryzuję prędkość nagrzewania się lub stygnięcia danego ciała. Energia wew i ciepło. Wszelkie ciała różnią się temp przy zetknięciu wyrownują swoje temp. Podobnie jeśli 2 części jednego ciala mają rożne temp to między nimi również dochodzi do wyrównania temp. W trakcie wyrownywania się temperatur następuje transport energii wew z cial o wyższej temp do cial o niższej temp lub w obrębie tego samego ciala z obszarów o temp wyższej do obszarów o temp niższej. Tę zmianę energii wew ciała pod wpływem rożnicy temp delta T nazywamy cieplem. ciepłem albo ilością ciepla nazywamy taką wielkość fiz która jest =zmianie energii wew ciała zachodzącej pod wplywem rożnicy temp. często ciepłem nazywamy również proces albo sposób przekazywania energii wew pod wpływem różnicy temp. Rezultatem pobierania lub oddawania przez ciało pewnwj ilości ciepła jest zmiana stanu ciała albo dochodzi do przemian fazowych lub zmiany temp ciala.