Rovnovážný stav

„Na další hodinu si přineste Metro,“ říkám na konci jedné hodiny fyziky. „A mám na mysli pochopitelně noviny!“

„A na co?“ ptá dychtivě jeden z kluků třídy 15M SPŠST Panská.

„Uvidíte,“ usmívám se. „Ale počítejte s tím, že se noviny zničí,“ dodávám pro případ, že by někdo kupoval noviny s tím, že si je po hodině fyziky přečte.

Další hodinu zavedeme některé důležité pojmy týkající se popisu interakce termodynamické soustavy a jejího okolí, a pak přistupujeme k rozboru pojmu rovnovážný stav. S hrnkem kávy, který stojí na katedře a se kterým jsem vysvětloval všechny typy interakce soustavy s okolím, je situace jasná: časem hrnek a okolní vzduch dojdou do stavu, kdy se jejich teploty vyrovnají.

„Nastane tedy rovnovážný stav. Bude za každé situace teplota tohoto stavu stejná?“ ptám se.

„Nebude,“ okamžitě reagují žáci. „Bude záviset třeba na teplotě venku, na těsnosti oken a podobně.“

„Prima. Takže pojem rovnovážného stavu se zdá být jasný. Ale to je pohled makroskopický, který můžeme vidět okem případně detekovat pomocí přístrojů,“ říkám. „Z hlediska mikroskopického je možné rovnovážný stav popsat trošku jinak a to si zkusíme namodelovat.“

Vyzývám žáky, aby si vzali donesené noviny a vytvořili z nich relativně pevné (tj. snadno nerozbalitelné) koule.

„Teď se rozdělte na dvě skupiny - jedna se postaví k oknům a druhá naproti nim. Všechny koule si vezme jedna skupinka. Já budu odměřovat 15sekundové intervaly, v rámci kterých si budete koule přehazovat. Jakmile daný interval skončí, spočítáte, kolik koulí máte na své straně.“

Žáci se tváří, že je vše jasné a můžeme se tedy pustit do experimentu.

Experiment probíhá tak, jak bylo avizováno. Žáci si přehazují papírové koule ze skupinky do skupinky, a jakmile skončí časový interval, spočítají koule na své straně. Po několika kolech experimentu je jasné, že původní nerovnováha počtu koulí (všechny byly u jedné skupinky) je porušena a koule se rozdělují víceméně rovnoměrně mezi obě skupinky.

„Vypadá to tedy, že rovnovážný stav je ten, ve kterém jsou částice rovnoměrně rozděleny v daném prostoru, tak jako koule na obou stranách učebny. A toto uspořádání nastává ze všech možných případů nejčastěji, a proto je tento stav nejpravděpodobnější,“ uzavírám experimentování.

Následně ještě diskutujeme, že v našem případě přibližně dvaceti koulí není statistických dat dostatečné množství. Žáci ale podstatu experimentu a jeho význam pro popis reality chápou.

„Nemusíte se tedy bát, že by nastala situace, že by se tady ve třídě všechny molekuly kyslíku soustředily pod katedrou a vy byste se dusili!“ uklidňuji s úsměvem.

„Ale stát se to může, ne?“ rýpne si někdo.

„Ano, může, ale pravděpodobnost tohoto stavu je tak malá, že v životě prakticky nemůže nastat,“ konstatuji to, co věděl i autor poslední poznámky.

Tak snad experiment, při kterém se žáci i protáhli před dalším náročným dnem ve škole, přispěl k hlubšímu porozumění na první pohled jasného pojmu i na mikroskopické úrovni.

Netradiční studium rovnovážného stavu zobrazují fotografie.

Autor fotografií:

Jaroslav Reichl

© Jaroslav Reichl, 9. 3. 2018