Metodický portál RVP.CZ prochází změnami. Více informací zde.
logo RVP.CZ
Přihlásit se
Titulka > Modul články > Gymnaziální vzdělávání

Zobrazit na úvodní stránce článků

Titulka > Modul články > Gymnaziální vzdělávání > Rovnovážný stav soustavy

Rovnovážný stav soustavy

Praktický příspěvek
inspirace
uč.hodina
Pro studium termodynamiky je podstatný pojem rovnovážný stav soustavy. Souvislost rovnovážného stavu s pravděpodobností výskytu tohoto stavu lze demonstrovat názorně a hravou formou tak, aby žáci pochopili podstatu.

Molekulová fyzika a termodynamika nepatří většinou u žáků (resp. studentů) k oblíbeným oborům fyziky. Spojuje v sobě nejen poznatky z fyziky, ale také z chemie a na vysokoškolské úrovni i poznatky ze statistiky. To vše činí tuto část fyziky náročnou. Proto je vhodné zařadit co nejvíce názorných experimentů, které tuto problematiku žákům více přiblíží. A to zejména v době, kdy se začínají s termodynamikou seznamovat poprvé.

Jedním z klíčových pojmů termodynamiky je pojem rovnovážný stav soustavy. Ten lze vysvětlit na řadě jevů z praxe (např. chladnutí kávy v místnosti, šíření vůně z voňavky místností apod.). Žáci většinou chápou, že rovnovážný stav soustavy je stav, do kterého se soustava samovolně dostane a z něhož už samovolně (tj. bez konání práce z okolí) nevyjde. Pochopit, že rovnovážný stav je ze všech možných stavů soustavy ten nejpravděpodobnější, už pro ně tak jednoduché ale není.

Příprava a provedení experimentu

Ve vyučovací hodině, která předchází hodině, v níž chceme experiment provést, vyzveme žáky, aby si přinesli do školy staré noviny. Každý žák by měl mít minimálně dva dvojlisty.

Na začátku hodiny, v níž experiment chceme provést, žáky vyzveme, aby ze dvou dvojlistů novin připravili papírovou kouli tak, aby byla pevná a nerozbalila se. Poté celou třídu žáků rozdělíme na dvě poloviny a obě skupiny se postaví naproti sobě podél delších stěn učebny. Všechny papírové koule, které žáci vyrobili, soustředíme v jedné skupině. Na tabuli učitel předkreslí jednoduchou tabulku, která bude mít tři sloupce (nadepsané číslo měření, první skupina a druhá skupina) a alespoň šest řádků.

Vysvětlíme pravidla. Na daný pokyn učitele (např. písknutí, tlesknutí) si žáci začnou přehazovat koule z jedné strany učebny na druhou. Upozorníme, že ačkoli jsou koule papírové a riziko úrazu je téměř nulové, musí být žáci opatrní. Na druhý pokyn, který vydá učitel po 10 až 15 sekundách od prvního, žáci přestanou s házením a rychle spočítají koule, které mají ve své skupině. Tento údaj nahlásí učiteli. Ten zapíše údaj do příslušného řádku tabulky k dané skupině.

Na začátku zapíše učitel do tabulky počet koulí k té skupině, která je má u sebe a zahájí vlastní experiment. Provedeme alespoň pět měření, tj. žáci si budou koule mezi sebou přehazovat v pěti po sobě jdoucích intervalech.

Vysvětlení a zhodnocení experimentu

Již během průběhu experimentu je ze zápisu na tabuli zřejmé, že se počty koulí v jednotlivých skupinách už po prvním experimentu vyrovnávají. Z původně nerovnovážného stavu, kterému odpovídalo počáteční rozložení koulí ve skupinách, přešla soustava (papírové koule v místnosti) do stavu rovnovážného, ve kterém je rozdělení koulí v obou skupinách přibližně rovnoměrné. A tento rovnovážný stav se opakuje během měření často – má tedy ze všech možných stavů nejvyšší pravděpodobnost výskytu. Pravděpodobnost, že by se při opakování popsaného experimentu všechny koule opět soustředily v jedné skupině, je velmi malá.

Je vhodné také upozornit i na úrovni střední školy na statistickou povahu zkoumání termodynamických dějů a jevů. Ačkoli se počty koulí v obou skupinách v průběhu experimentu vyrovnávají, nejsou jejich počty v každé skupině konstantní a rovné přesně polovině všech koulí (např. lze naměřit tyto počty: 15 – 15, 13 – 17, 14 – 16, 12 – 18 …). A to odpovídá statistickému rozložení pravděpodobnosti, pomocí níž se termodynamické děje a jevy popisují.

Přestože má provedený experiment své nedostatky (např. málo jeho opakování k vytvoření seriózní statistiky), přibližuje velmi názorně situaci, která odpovídá v úvodu zmíněnému příkladu se šířením vůně z voňavky místností. Původně byly všechny molekuly plynu, který má danou vůni, v uzavřené nádobce. Otevřeme-li nádobku, budou se molekuly vlivem neustálého chaotického pohybu šířit do prostoru místnosti: z původně nerovnovážného stavu přechází soustava (molekuly plynu) do rovnovážného stavu, ve kterém molekuly vyplňují prostor místnosti za daných podmínek rovnoměrně. Tento stav je ze všech možných nejpravděpodobnější. Pravděpodobnost, že se všechny molekuly vrátí zpět do lahvičky, je velmi malá.

Po skončení experimentu vyzveme žáky, aby učebnu uklidili a noviny vyhodili. Téma ke krátké diskuzi na téma třídění odpadků se přímo nabízí.

V případě pochybností o aktuálnosti či funkčnosti příspěvku využijte tlačítko „Napište nám“.
Napište nám