§ 30. Движение молекул. Диффузия. Температура

Определения и обозначения

Молекула — мельчайшая частица вещества, сохраняющая его основные химические свойства; молекулы состоят из атомов. Например, молекулы воды образованы атомами водорода и кислорода. Это понятие помогает объяснять свойства вещества через устройство и поведение его частиц.

Тепловое движение — непрерывное и беспорядочное движение частиц вещества. Оно происходит в газах, жидкостях и твёрдых телах, а не только тогда, когда тело специально нагревают. Это понятие нужно, чтобы объяснить распространение частиц и изменения, которые можно наблюдать вокруг нас.

Диффузия — взаимное проникновение частиц одного вещества между частицами другого вследствие их движения. Например, запах духов постепенно распространяется по комнате без размешивания воздуха. Понятие диффузии позволяет понять, как вещества смешиваются сами собой.

Температура — физическая величина, характеризующая степень нагретости тела и связанная со средней скоростью движения его частиц. При более высокой температуре частицы в среднем движутся быстрее. Температуру измеряют термометром, а её значение помогает сравнивать нагретость тел.

Как это устроено

Движение молекул подтверждают наблюдения за диффузией: запах распространяется в воздухе, а капля красителя постепенно окрашивает воду. Эти явления становятся понятны, если считать, что частицы непрерывно движутся и смешиваются. Непосредственно увидеть одну молекулу нельзя, потому что она чрезвычайно мала, а их в веществе очень много. Поэтому мы наблюдаем не сами молекулы, а общий результат движения их огромного множества.

В газе молекулы находятся далеко друг от друга и свободно перемещаются между столкновениями, поэтому разные газы могут быстро смешиваться. В жидкости частицы расположены ближе, но тоже способны менять соседей и перемещаться, хотя медленнее, чем в газе. В твёрдом теле частицы удерживаются около определённых положений и перемещаются гораздо меньше. Поэтому взаимное проникновение частиц возможно и там, но обычно требует намного больше времени.

При диффузии частицы не направляются к месту, где их пока мало: каждая движется беспорядочно, в разных направлениях. Однако множество частиц одновременно перемещается и сталкивается, поэтому со временем вещество распространяется по всему доступному объёму. Частицы обоих веществ проникают друг между другом, пока распределение не становится более равномерным. Процесс идёт самопроизвольно и не требует размешивания ложкой или другого внешнего воздействия.

Температура связана со средней скоростью движения частиц: чем она выше, тем быстрее в среднем движутся молекулы. Нагревание не увеличивает сами молекулы, а меняет характер их движения. Быстро движущиеся частицы чаще и дальше перемещаются за одно и то же время. Поэтому при повышении температуры диффузия обычно протекает интенсивнее.

Чтобы измерить температуру, термометр помещают в контакт с телом или его средой и ждут, пока показания перестанут заметно меняться. Сначала температуры прибора и тела могут различаться, поэтому между ними происходит теплообмен. Тепло передаётся до тех пор, пока температуры не сравняются; это состояние называют тепловым равновесием. Тогда показание термометра можно считать температурой тела.

Движение молекул, диффузия и температура

Сопоставляй наблюдение с молекулярным объяснением: так легче отличить явление от причины. Последний столбец показывает, какие условия могут изменить скорость движения частиц или диффузии.

Разбор задач

Задача 1. В одном стакане находится холодная вода, в другом — горячая. В каждый стакан опустили кристалл марганцовки. Нужно определить, в каком стакане вода быстрее окрасится равномерно, и объяснить почему.

1. Окрашивание воды происходит из-за диффузии: частицы марганцовки распространяются среди частиц воды.
2. В горячей воде температура выше, значит, молекулы в среднем движутся быстрее и чаще перемещаются на заметные расстояния.
3. Поэтому частицы марганцовки быстрее распределяются по всему объёму горячей воды. В холодном стакане тот же процесс идёт медленнее.

Ответ: быстрее равномерно окрасится горячая вода, потому что при более высокой температуре диффузия интенсивнее.

Задача 2. Запах духов распространяется по комнате, хотя воздух в комнате не перемешивают. Нужно назвать явление и объяснить его без предположения о внешнем перемешивании.

1. Духи испаряются: их частицы попадают в воздух и оказываются среди молекул газа.
2. Молекулы духов и воздуха непрерывно движутся беспорядочно и сталкиваются. При этом частицы духов постепенно попадают в разные части комнаты.
3. Для такого распространения достаточно движения самих молекул; ложка, вентилятор или другое перемешивание не обязательны. Движение воздуха может ускорить процесс, но не является его причиной.

Ответ: запах распространяется вследствие диффузии в газе — самопроизвольного взаимного проникновения частиц духов и воздуха.

Задача 3. Ученик утверждает: «При нагревании тела его молекулы становятся крупнее, поэтому диффузия ускоряется». Нужно найти ошибку и заменить объяснение правильным.

1. В рассуждении перепутаны размер молекул и скорость их движения. При обычном нагревании молекулы не становятся крупнее.
2. Нагревание повышает температуру тела, а с ней связана средняя скорость движения частиц. Молекулы быстрее перемещаются и чаще распространяются среди частиц другого вещества.
3. Именно изменение движения, а не увеличение размеров молекул, объясняет более быструю диффузию. Проверить себя можно вопросом: какое наблюдаемое свойство изменяется при нагревании — размер частиц или скорость их движения?

Ответ: ошибка в утверждении об увеличении молекул. При нагревании они в среднем движутся быстрее, поэтому диффузия ускоряется.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что молекулы движутся только при нагревании. Её допускают, потому что нагревание заметно усиливает движение и его последствия. На самом деле тепловое движение существует при любой температуре. Проверь себя: если убрать нагреватель, перестанут ли сразу двигаться частицы? Нет, они продолжат двигаться, но с другой средней скоростью.

Ошибка: путать диффузию с перемешиванием внешним воздействием, например ложкой. При размешивании вещество действительно быстрее распределяется, поэтому эти процессы легко смешать. Но диффузия происходит и без ложки — благодаря движению частиц. Чтобы проверить объяснение, спроси себя, может ли смешивание продолжаться в неподвижной на вид среде.

Ошибка: утверждать, что при нагревании молекулы становятся крупнее. Так могут решить, если связать расширение тела с увеличением частиц. Однако ускорение диффузии объясняется прежде всего возросшей средней скоростью движения молекул. Проверка проста: причина должна объяснять движение частиц, а не приписывать молекуле изменение размера без оснований.

Ошибка: считать температуру мерой количества теплоты или общего числа молекул. Эти величины описывают разные свойства, хотя при нагревании температура часто меняется. Температура характеризует степень нагретости и связана со средней скоростью частиц. Проверь себя: температура показывает, сколько в теле вещества или энергии передали ему при теплообмене? Нет, для этого нужны другие понятия.

Связь с другими темами

До изучения этой темы нужно представлять, что вещества состоят из частиц, и различать атомы и молекулы. Это знание позволяет объяснять свойства тел не только по наблюдаемой картине, но и через устройство вещества. Молекулярное объяснение связывает невидимые частицы с видимыми явлениями.

Представление о движении частиц пригодится при изучении внутренней энергии, теплопередачи и агрегатных состояний вещества. Оно поможет понять, почему тела нагреваются и охлаждаются, а вещества могут переходить из одного состояния в другое. Диффузия показывает, что поведение вещества зависит от движения его частиц.

Опыты с распространением запаха или окрашиванием воды позволяют наблюдать последствия молекулярного движения. Работа термометра показывает, как измеряют температуру и почему прибору необходимо дождаться теплового равновесия с телом. Так эксперимент связывает физические понятия с повседневными наблюдениями.

Что запомнить

• Все вещества состоят из частиц, находящихся в непрерывном беспорядочном движении.
• Скорость теплового движения молекул зависит от температуры.
• Диффузия — самопроизвольное взаимное проникновение частиц веществ.
• Диффузия происходит в газах, жидкостях и твёрдых телах.
• В газах диффузия обычно протекает быстрее, чем в жидкостях и твёрдых телах.
• При повышении температуры диффузия ускоряется.
• Температуру измеряют термометром после установления теплового равновесия.