Rovnovážný stav

V rámci popisu termodynamických soustav, které jsou nutným základem pro pozdější studium plynů, kapalin i pevných látek, jsme dospěli se žáky třídy 17L SPŠST Panská ke studiu rovnovážného stavu. V jedné hodině jsme ho popsali z hlediska přeměn energie a z hlediska nabývání extremálních hodnot fyzikálních veličin. Na další hodinu jsem měl v plánu trošku jiný popis.

„Na další hodinu si přineste Metro,“ říkám (žáci nemohli vědět, co myslím, velké písmeno ani kurzívu nepoznali!). „Myslím noviny, ne dopravní prostředek,“ dodávám v reakci na nechápavé výrazy.

„A nemusí to být jen Metro,“ usmívám se. „Jen ale počítejte s tím, že se noviny zničí! Tak ať nekoupíte drahé čerstvé noviny!“

Žáci pokyvují hlavou a na příští hodinu skutečně přišli vybaveni novinami.

„Úkol bude prostý,“ začínám vysvětlovat. „Z jedné dvoustrany novin si vyrobíte každý dvě kuličky, které by měly držet relativně pevně pohromadě. Pak si stoupne polovina z vás k oknu, druhá polovina ke stěně se skříněmi a všechny papírové koule si vezme skupina u okna. Na můj pokyn si budete koule 15 sekund přehazovat, pak je rychle spočítáte a nahlásíte za skupinu výsledný počet koulí.“

Žáci zatím vše chápou.

„Tím budeme simulovat pohyb molekul, o kterém jsme v rámci kinetické teorie látek mluvili,“ dodávám vysvětlení. „A pak z výsledků něco vyvodíme!“

Žáci jsou připraveni, experiment může tedy začít.

Přehazování probíhá bez problémů, papírové koule nemohou nikoho zranit. Experiment jsem ostatně dělal s jinými třídami již několikrát, stejný experiment na stejném místě jsem dělal i s učiteli fyziky na seminářích, které se ve škole pravidelně konají. A nikdy se nic nestalo. Až tentokráte …

„Pane profesore, já jsem rozbil tu vitrínu,“ přišel nahlásit jeden žák.

Jdu se podívat - a skutečně. Kus skla je vyraženo a leží uvnitř vitríny.

„Ty jsi v pořádku?“ ptám se.

„Jo, mě nic není, jak jsem se ohnul, opřel jsem se pak loktem,“ odpovídá žák v mikině. Takže poraněn zjevně není.

Dokončili jsme experiment, uklidili papírové koule a začali jsme společně experiment vyhodnocovat.

Ze zápisů na tabuli je zřejmé, že pouze v prvním případě byly počty koulí v obou skupinách výrazně asymetrické. V každém dalším kroku se více a více přibližovaly k rozdělení zhruba na polovinu v každé skupině.

„Který z těch stavů, i v kontextu toho, co bylo minule, lze nazvat rovnovážným?“ ptám se.

„Ty, kde jsou ty koule rozděleny skoro napůl,“ zaznívá ze třídy.

„Prima! Kolik těch stavů je?“

„Čtyři,“ odpovídá kdosi.

„… ze šesti provedených měření,“ dodávám já. „Takže ten stav, kdy jsou kole rozložené rovnoměrně, je nejvíce …,“ nechávám větu nedokončenou.

„Pravděpodobný?“ ptá se kdosi ze třídy.

„Ano, přesně tak. A to je závěr, ke kterému jsem chtěl dospět: rovnovážný stav je ten, který je ze všech možných stavů daného systému ten nejvíce pravděpodobný!“ shrnuji.

„Na takový stav bych si na začátku vsadil,“ usmívám se. „Na stav, kdy budou všechny koule v jedné nebo ve druhé skupině třídy, rozhodně ne!“ dodávám.

Na závěr pak ještě uvádím příměr s tím, že se není třeba obávat, že by se všechny molekuly kyslíku z místnosti objevily například pod učitelským stolem. Pravděpodobnost takového stavu je sice nenulová, ale je nesmírně malá.

Snad si žáci souvislost rozložení molekul systému s pravděpodobností rovnovážného stavu na základě provedeného experimentu budou pamatovat.

Průběh experimentu je zobrazen na fotografiích.

Autor fotografií:

Jaroslav Reichl

© Jaroslav Reichl, 30. 1. 2020