§ 1. Тепловое движение. Температура

Определения и обозначения

Тепловое движение — непрерывное и беспорядочное движение частиц вещества. Иначе говоря, частицы не остаются на месте, даже если всё тело кажется неподвижным. Это понятие помогает объяснить, почему вещества могут смешиваться и почему их состояние меняется при нагревании.

Температура — физическая величина, характеризующая степень нагретости тела и связанная со средней кинетической энергией движения его частиц. Кинетическая энергия — энергия движения, а средняя учитывает множество частиц, а не одну молекулу. Температура позволяет сравнивать, насколько нагреты тела, и описывать изменения тепловых явлений.

Броуновское движение — беспорядочное движение мелких частиц, взвешенных в жидкости или газе, вызванное ударами молекул. Сама наблюдаемая частица крупнее молекул среды, но её движение показывает, что молекулы непрерывно движутся. Это явление служит наглядным подтверждением теплового движения частиц.

Диффузия — взаимное проникновение частиц соприкасающихся веществ вследствие их теплового движения. Частицы одного вещества постепенно оказываются среди частиц другого, поэтому вещества смешиваются без обязательного перемешивания. Понятие диффузии помогает объяснить распространение запахов и окрашивание воды каплей красителя.

Как это устроено

Частицы вещества постоянно движутся, хотя увидеть сами молекулы обычно нельзя. В газе расстояния между частицами сравнительно велики, и они могут двигаться свободно, сталкиваясь друг с другом. В жидкости частицы расположены ближе и взаимодействуют, поэтому перемещаются менее свободно; в твёрдом теле они удерживаются около определённых положений, но продолжают двигаться. Ограниченность движения не означает полного покоя частиц.

Мелкая взвешенная частица в жидкости или газе со всех сторон сталкивается с молекулами среды. Их удары не уравновешиваются точно: в каждый момент с одной стороны толкают сильнее или чаще, чем с другой. Направление и величина такого перевеса постоянно меняются, поэтому наблюдаемая частица движется беспорядочно. Так объясняется броуновское движение: его причина — молекулы среды, а не самостоятельное движение самой частицы без внешнего воздействия.

Когда соприкасаются два вещества, молекулы каждого из них движутся в разных направлениях и сталкиваются с соседями. Поэтому одни частицы постепенно оказываются между частицами другого вещества, а другие распространяются в обратную сторону. Такое взаимное проникновение называют диффузией; оно идёт и без перемешивания, потому что движение частиц не прекращается. Перемешивание может ускорить процесс, но не является его причиной.

При повышении температуры средняя кинетическая энергия движения частиц возрастает, а при понижении уменьшается. Это не значит, что все молекулы движутся одинаково: у разных частиц скорости различаются, но температура связана с их средним движением. Поэтому более высокая температура обычно означает более интенсивное движение частиц и более быстрое распространение вещества при диффузии.

Температуру измеряют термометром, например в градусах Цельсия. Если термометр поместить рядом с телом или соприкоснуть с ним, между ними происходит теплообмен — передача энергии от более тёплого тела к более холодному. Показание термометра изменяется, пока он не придёт в тепловое равновесие с окружающей средой или телом. Тогда его показание можно использовать как значение температуры соответствующего тела.

Проявления теплового движения и температура

В таблице сопоставлены наблюдаемое явление или измеряемая величина и объяснение на уровне частиц. Для броуновского движения важно найти причину толчков, а для диффузии — понять, как частицы разных веществ оказываются рядом. Строка о температуре связывает показание термометра со средним движением частиц.

Разбор задач

Почему капля чернил окрашивает воду?

Условие. Каплю чернил внесли в стакан воды и не перемешивали. Нужно объяснить, почему со временем вода окрасилась. Для решения достаточно применить представление о тепловом движении частиц и определить, какое явление наблюдается.

1. Чернила и вода состоят из частиц, которые непрерывно движутся в беспорядочных направлениях.
2. Частицы чернил постепенно проникают между частицами воды и распространяются по стакану.
3. Такое взаимное проникновение частиц соприкасающихся веществ называется диффузией. Перемешивание для её возникновения не требуется.

Ответ. Вода постепенно окрасилась из-за диффузии: частицы чернил распространились среди частиц воды благодаря тепловому движению.

Почему краситель быстрее распространяется в тёплой воде?

Условие. В тёплой воде капля красителя распространяется быстрее, чем в холодной. Нужно найти причину различия, не смешивая влияние температуры с перемешиванием. Сравним движение частиц в двух случаях.

1. Распространение красителя происходит благодаря диффузии, то есть взаимному проникновению частиц красителя и воды.
2. При более высокой температуре средняя кинетическая энергия движения частиц больше. Поэтому частицы движутся интенсивнее и быстрее распространяются среди частиц воды.
3. Следовательно, при прочих равных условиях повышение температуры ускоряет диффузию. Внешнее перемешивание для такого объяснения не требуется.

Ответ. В тёплой воде диффузия идёт быстрее, потому что при более высокой температуре частицы движутся интенсивнее.

Как меняется средняя кинетическая энергия воздуха?

Условие. Термометр показывает 18 °C, а после помещения в более тёплую комнату — 24 °C. Нужно сравнить среднюю кинетическую энергию частиц воздуха и объяснить изменение показания. Для этого используем связь температуры со средним движением частиц и учтём теплообмен.

1. Сравним температуры: 24 °C выше, чем 18 °C. Значит, во втором состоянии средняя кинетическая энергия движения частиц воздуха больше.
2. Термометр сначала обменивается энергией с окружающей средой. После помещения в более тёплую комнату он получает энергию, и его температура повышается.
3. Показание меняется не мгновенно: оно устанавливается, когда термометр приходит в тепловое равновесие с воздухом комнаты. Тогда термометр показывает температуру окружающего воздуха.

Ответ. При 24 °C средняя кинетическая энергия частиц воздуха больше, чем при 18 °C. Показание термометра выросло вследствие теплообмена с более тёплой комнатой.

Типичные ошибки

• Ошибка — считать, что тепловое движение есть только у молекул газа. Так могут думать, потому что в газе частицы свободно перемещаются и это легче представить. Но в жидкостях и твёрдых телах частицы тоже движутся, хотя их движение ограничено; проверь себя вопросом, означает ли неподвижность тела покой его частиц.

• Ошибка — принимать броуновскую частицу за молекулу жидкости. Путаница возникает потому, что движение наблюдаемой частицы связано с молекулами. На деле броуновская частица крупнее, а молекулы среды толкают её; проверь себя, спросив, что именно видно в микроскоп и что вызывает толчки.

• Ошибка — объяснять диффузию только перемешиванием или движением вещества целиком. Перемешивание действительно ускоряет смешивание, поэтому его легко принять за единственную причину. Однако диффузия происходит и без него из-за движения отдельных частиц; проверь себя на примере капли красителя в неподвижной воде.

• Ошибка — считать, что температура показывает скорость каждой молекулы. Так кажется, если воспринимать температуру как прямое измерение движения одной частицы. На самом деле она связана со средней кинетической энергией множества частиц; проверка — вспомнить, что скорости отдельных молекул могут различаться.

Связь с другими темами

Чтобы понять тепловое движение, нужно знать, что вещества состоят из частиц — молекул и атомов — и что эти частицы взаимодействуют друг с другом. Их движение помогает объяснять наблюдаемые свойства веществ, хотя сами частицы слишком малы для обычного наблюдения. Температура и тепловое движение понадобятся при изучении теплопередачи, изменения агрегатных состояний и других тепловых явлений. Связь между наблюдениями и движением частиц станет основой для объяснения этих процессов.

Что запомнить

• Частицы вещества непрерывно и беспорядочно движутся.
• Тепловое движение есть в газах, жидкостях и твёрдых телах.
• Броуновское движение вызывают удары молекул среды.
• Диффузия происходит благодаря тепловому движению частиц.
• При повышении температуры средняя кинетическая энергия частиц возрастает.
• Температуру измеряют термометром.