§ 1. Тепловое движение. Броуновское движение. Диффузия

Определения и обозначения

Тепловое движение — непрерывное хаотическое движение частиц вещества, связанное с его температурой. Иными словами, частицы постоянно перемещаются и взаимодействуют, хотя тело может оставаться на месте. Это понятие помогает объяснить свойства вещества, которые нельзя понять, рассматривая тело как неподвижное целое. Например, оно лежит в основе объяснения диффузии и других явлений, связанных с температурой.

Броуновское движение — беспорядочное движение взвешенных в жидкости или газе мелких частиц, наблюдаемое под микроскопом. Взвешенная частица не растворена полностью и достаточно крупна, чтобы её можно было различить, но её перемещение вызывают невидимые молекулы среды. Наблюдая за ней, можно обнаружить действие молекул, хотя сами они слишком малы для такого наблюдения. Это явление служит наглядным свидетельством теплового движения частиц вещества.

Диффузия — взаимное проникновение частиц соприкасающихся веществ вследствие их теплового движения. Частицы одного вещества постепенно оказываются среди частиц другого, и вещества перемешиваются без обязательного перемещения тела целиком. Понятие нужно, чтобы объяснить распространение запахов, смешивание жидкостей и медленное проникновение веществ друг в друга. Диффузия возможна в газах, жидкостях и твёрдых телах, но протекает в них с разной скоростью.

Как это устроено

Тело может быть неподвижно относительно стола, однако это не означает, что неподвижны его частицы. В твёрдом теле они обычно колеблются около положений равновесия, а в жидкостях и газах могут перемещаться иначе, но ни в одном случае не застывают полностью. Движения множества частиц не складываются в заметное движение всего тела: частицы направлены в разные стороны, а их перемещения взаимно компенсируются. Поэтому нужно различать движение тела как целого и движение составляющих его частиц.

Тепловое движение называют хаотичным, потому что направление движения отдельной частицы постоянно меняется при взаимодействиях с соседними частицами. Оно непрерывно: даже если мы не замечаем перемещений, частицы не прекращают двигаться. Температура связана с интенсивностью этого движения: при нагревании частицы в среднем движутся энергичнее, а при охлаждении — менее интенсивно. Это не означает, что все частицы движутся одинаково или в одну сторону; речь идёт об изменении движения множества частиц в целом.

Броуновская частица гораздо крупнее молекул жидкости или газа, поэтому её положение можно наблюдать в микроскоп. Молекулы среды непрерывно и хаотично ударяют по ней с разных сторон. В каждый момент число и сила ударов с противоположных сторон могут различаться, и тогда частица смещается туда, где воздействие оказалось сильнее. При следующих ударах соотношение меняется, поэтому траектория получается беспорядочной; сама броуновская частица не является источником своего движения.

При диффузии частицы двух веществ перемещаются и постепенно оказываются рядом друг с другом, так что вещества перемешиваются. В газе частицы свободно движутся на сравнительно больших расстояниях, поэтому запах духов может распространиться по комнате. В жидкости перемешивание тоже происходит: капля красителя постепенно окрашивает окружающую воду, даже если её специально не размешивать. В реальной жизни движение воздуха или воды тоже может усиливать перемешивание, но основа диффузии — тепловое движение частиц.

Скорость диффузии зависит от агрегатного состояния вещества: быстрее всего она идёт в газах, медленнее — в жидкостях, а в твёрдых телах особенно медленно. Частицы газа перемещаются свободнее, чем частицы жидкости, а частицы твёрдого тела в основном остаются около своих положений. Нагревание ускоряет диффузию, потому что тепловое движение становится интенсивнее и частицы быстрее перемещаются. Поэтому тёплая вода обычно окрашивается каплей красителя быстрее холодной.

Проявления теплового движения частиц

Сначала найдите в таблице, что именно наблюдают: движение отдельной взвешенной частицы или перемешивание веществ. Затем сопоставьте это наблюдение с причиной явления. Последний столбец помогает определить, что изменится при нагревании или при переходе к другому агрегатному состоянию.

Разбор задач

Задача 1. Запах духов распространяется по комнате. Определите, какое явление наблюдается, и объясните его причину.

1. Запах духов постепенно ощущается в разных частях комнаты, значит, частицы пахучего вещества распространяются в воздухе.
2. Воздух и пары духов состоят из частиц, которые непрерывно и хаотично движутся.
3. Частицы духов проникают между частицами воздуха, и вещества перемешиваются; это и есть диффузия.

Ответ: наблюдается диффузия. Её причина — тепловое движение частиц духов и воздуха.

Задача 2. В два сосуда с водой одинакового объёма поместили капли красителя: один сосуд холодный, другой тёплый. В каком сосуде окрашивание пойдёт быстрее?

1. В обоих сосудах происходит одно и то же явление: частицы красителя проникают между частицами воды, то есть идёт диффузия.
2. Объём воды одинаков, поэтому для сравнения учитываем главное различие — температуру.
3. В тёплой воде тепловое движение частиц интенсивнее, они быстрее перемещаются и перемешиваются. Следовательно, краситель распространится быстрее.

Ответ: в тёплом сосуде. Нагревание ускоряет диффузию.

Задача 3. Под микроскопом наблюдают взвешенную в воде крупинку пыльцы, которая беспорядочно перемещается. Объясните её движение и предскажите, как изменится его интенсивность при нагревании воды.

1. Крупинка пыльцы — видимая взвешенная частица, а не молекула воды. Поэтому её движение нельзя объяснить собственным тепловым движением молекулы.
2. Молекулы воды непрерывно ударяют по крупинке с разных сторон. Удары не уравновешивают друг друга в каждый момент, и крупинка смещается то в одну, то в другую сторону.
3. При нагревании молекулы воды движутся интенсивнее и сильнее воздействуют на взвешенную частицу. Поэтому броуновское движение станет интенсивнее.

Ответ: крупинку перемещают неравномерные удары молекул воды; при нагревании интенсивность её беспорядочного движения возрастёт.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что частицы неподвижны, если тело в целом покоится. Так думают, смешивая движение тела и движение его частей: ведь предмет не меняет положения относительно стола. Проверьте себя, спросив, может ли тело сохранять форму и одновременно состоять из движущихся частиц. Да: частицы движутся в разных направлениях, а тело как целое остаётся на месте.

Ошибка — полагать, что броуновская частица движется сама по себе. Её видимое перемещение легко принять за самостоятельное, поскольку молекул жидкости или газа не видно. Но источник движения — неравномерные удары этих молекул с разных сторон. Проверка: если убрать окружающую среду, исчезнут и удары, которые вызывают беспорядочное перемещение.

Ошибка — путать броуновское движение с диффузией. В обоих случаях частицы движутся хаотично, поэтому явления могут казаться одинаковыми. Чтобы проверить себя, уточните, что наблюдается: отдельная взвешенная частица или взаимное проникновение частиц разных веществ. Первое — броуновское движение, второе — диффузия.

Ошибка — считать, что диффузия возможна только в газах или только в жидкостях. Такие примеры заметнее, но взаимное проникновение частиц происходит и в твёрдых телах, просто гораздо медленнее. Проверяя ответ, вспомните все три агрегатных состояния и сравните скорость явления в них. Быстрее всего диффузия идёт в газах, медленнее — в жидкостях, особенно медленно — в твёрдых телах.

Связь с другими темами

Перед изучением этой темы полезно помнить, что вещества состоят из частиц и могут находиться в разных агрегатных состояниях. Эти представления помогают понять, почему частицы газа, жидкости и твёрдого тела перемешиваются с разной скоростью. Тема продолжает изучение строения вещества и объясняет связь температуры с движением его частиц. Позднее эти знания пригодятся при рассмотрении внутренней энергии и теплопередачи.

Что запомнить

• Частицы вещества находятся в непрерывном хаотическом движении.
• С повышением температуры тепловое движение частиц становится интенсивнее.
• Броуновское движение вызвано ударами молекул жидкости или газа по взвешенной частице.
• Диффузия — взаимное проникновение частиц соприкасающихся веществ.
• Диффузия быстрее всего происходит в газах, медленнее — в жидкостях и особенно медленно — в твёрдых телах.
• Нагревание ускоряет диффузию.