"Физика. Базовый и профильный уровни", Тихомирова С.А., Яворский Б.М.
Молекулярно-кинетическая теория объясняет свойства тел и происходящие в них явления через строение вещества, движение и взаимодействие его частиц. Она помогает понять, почему вещества смешиваются, как возникает давление газа и чем отличаются газы, жидкости и твёрдые тела. Её основные положения таковы: вещество состоит из частиц, частицы непрерывно и хаотически движутся, а также взаимодействуют друг с другом. Наблюдения диффузии и броуновского движения подтверждают, что молекулы не покоятся.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) объясняет свойства тел и явления в них через строение вещества, движение и взаимодействие его частиц. Она нужна, чтобы связать наблюдаемое поведение тел с тем, что происходит на уровне множества невидимых частиц. Например, с её помощью можно объяснить распространение запаха и давление газа.
Молекула — наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства; молекулы состоят из атомов. Атомы внутри молекулы соединены, а их состав определяет, к какому веществу она относится. Понятие молекулы помогает описывать состав вещества и объяснять, почему его частицы могут сохранять свойства самого вещества.
Тепловое движение — непрерывное хаотическое движение частиц вещества. Слово «хаотическое» означает, что частицы перемещаются в разных направлениях и их движение не направлено согласованно. Это понятие необходимо, чтобы объяснить смешивание веществ и связать микроскопическое движение частиц с температурой тела.
Броуновское движение — беспорядочное движение взвешенных в жидкости или газе частиц, вызванное ударами молекул окружающей среды. Такие частицы крупнее молекул и могут быть видны в микроскоп, тогда как отдельные молекулы обычно непосредственно не наблюдаются. Поэтому броуновское движение позволяет судить о движении молекул по перемещениям более крупных частиц.
Окружающие нас тела кажутся сплошными, однако вещество имеет дискретное строение: оно состоит из отдельных частиц. Свойства тела определяются поведением не одной молекулы, а огромного их количества и тем, как они расположены и взаимодействуют. Поэтому МКТ позволяет объяснять наблюдаемые свойства через закономерности движения множества частиц, не рассматривая каждую по отдельности.
Частицами вещества могут быть молекулы, атомы или ионы — заряженные частицы. Они чрезвычайно малы, а расстояния между ними не равны нулю, поэтому вещество не представляет собой сплошную массу. Представление о промежутках помогает понять, как частицы одного вещества могут проникать между частицами другого, а также почему объём и плотность веществ зависят от их строения.
Частицы постоянно движутся в беспорядочных направлениях, а интенсивность их теплового движения связана с температурой. Одно из проявлений такого движения — диффузия: частицы разных веществ постепенно распространяются друг среди друга. Другое проявление — броуновское движение: молекулы жидкости или газа ударяют по взвешенной частице, и та перемещается из-за того, что удары с разных сторон не полностью уравновешены. Оба явления подтверждают непрерывное движение молекул.
Частицы взаимодействуют друг с другом, причём сила взаимодействия зависит от расстояния между ними. На сравнительно малых расстояниях заметно притяжение, которое помогает частицам оставаться рядом; при очень сильном сближении преобладает отталкивание. Благодаря сочетанию этих эффектов частицы не разлетаются бесконечно далеко и не сливаются в одну точку. Модель взаимодействия нужна, чтобы объяснить устойчивость вещества и его реакцию на изменение формы или объёма.
Состояние вещества зависит от того, как его частицы расположены, движутся и взаимодействуют. В газе частицы находятся далеко друг от друга и свободно перемещаются, поэтому газ заполняет предоставленный объём. В жидкости частицы расположены близко, но могут перемещаться относительно соседей: жидкость сохраняет объём, но принимает форму сосуда. В твёрдом теле частицы удерживаются около определённых положений и колеблются около них, поэтому тело сохраняет форму.
| Положение теории | Что оно означает | Наблюдаемые подтверждения |
|---|---|---|
| Вещество состоит из частиц | Вещество образовано молекулами, атомами или ионами; между частицами есть промежутки. | Диффузия, сжимаемость газов, растворение и смешивание веществ. |
| Частицы непрерывно и хаотически движутся | Молекулы постоянно перемещаются, а интенсивность теплового движения связана с температурой. | Диффузия и броуновское движение. |
| Частицы взаимодействуют друг с другом | В зависимости от расстояния частицы притягиваются или отталкиваются. | Сохранение формы твёрдых тел, упругость и сопротивление сжатию. |
Используйте таблицу, чтобы различать положения теории, их смысл и наблюдаемые следствия. Одно явление может подтверждать несколько представлений сразу: например, диффузия показывает и наличие частиц, и их движение. При объяснении явления сначала назовите положение МКТ, а затем свяжите его с наблюдением.
Каплю чернил внесли в стакан воды. Объясните, почему со временем окраска распространяется по всему объёму, даже если воду не перемешивать. Рассуждать нужно о движении частиц чернил и воды, а не о внешнем перемешивании. Постепенное взаимное распространение частиц называется диффузией.
Ответ: окраска распространяется из-за диффузии, вызванной хаотическим тепловым движением молекул воды и чернил. Частицы одного вещества постепенно проникают между частицами другого. Перемешивание ложкой для этого не требуется.
Частицы пыльцы, взвешенные в воде, движутся беспорядочно. Нужно объяснить, почему такое движение не прекращается и как оно связано с молекулами воды. Видимые частицы пыльцы не следует считать самостоятельным источником непрерывного движения.
Ответ: движение частицы пыльцы не прекращается, потому что её постоянно и неравномерно ударяют молекулы воды. Броуновское движение наблюдаемой частицы служит косвенным подтверждением теплового движения молекул жидкости. При охлаждении интенсивность движения молекул и броуновского движения уменьшается.
Масса образца воды равна 18 г, молярная масса воды — 18 г/моль, постоянная Авогадро Nₐ = 6,02·10²³ моль⁻¹. Требуется найти количество вещества и число молекул. Сначала определим, сколько молей воды содержится в образце, а затем переведём это количество в число молекул.
Ответ: количество вещества равно 1 моль, а в образце содержится 6,02·10²³ молекул воды. Проверка единиц помогает не перепутать величины: ν измеряется в молях, а N — это число частиц. Если масса образца изменится, количество молекул изменится пропорционально ей.
Ошибочно считать броуновское движение самостоятельным движением пыльцы или дыма. Так можно подумать, потому что наблюдатель видит перемещение крупной частицы, а не молекулы среды. Проверьте объяснение вопросом: что непрерывно толкает частицу? Причина движения — неравномерные удары хаотически движущихся молекул жидкости или газа.
Неверно представлять частицы твёрдого тела неподвижными. Поскольку твёрдое тело сохраняет форму, может показаться, что и его частицы застыли на месте. Но они совершают тепловые колебания около положений равновесия. Проверить себя можно, вспомнив, что температура связана с тепловым движением частиц и у твёрдых тел.
Ошибочно утверждать, что молекулы только притягиваются. Притяжение объясняет, почему частицы остаются рядом, но при сильном сближении становится существенным отталкивание. Если в рассуждении частицы могут бесконечно сближаться, значит, учтена лишь часть взаимодействия. Учитывайте, что характер взаимодействия меняется с расстоянием.
Диффузию иногда смешивают с броуновским движением, потому что оба явления связаны с хаотическим движением молекул. При диффузии распространяются частицы разных веществ, и вещества постепенно смешиваются; при броуновском движении наблюдают перемещения взвешенной частицы. Проверьте себя: если описывается изменение распределения веществ, речь о диффузии, а если движение отдельной видимой частицы — о броуновском движении.
Для изучения МКТ нужно знать, что вещества состоят из атомов и молекул, а также различать агрегатные состояния. Эти представления затем позволяют объяснять свойства газов, жидкостей и твёрдых тел через поведение частиц. Они пригодятся при изучении температуры, внутренней энергии и давления газа: все эти макроскопические характеристики связаны с движением и взаимодействием частиц. В частности, давление газа возникает из-за ударов его частиц о стенки сосуда.
Какие основные положения молекулярно-кинетической теории нужно знать?
Вещества состоят из частиц, между которыми есть промежутки. Частицы непрерывно и хаотически движутся, а также взаимодействуют: притягиваются и отталкиваются. Эти положения объясняют свойства веществ и подтверждаются, например, диффузией и броуновским движением.
Чем молекула отличается от атома?
Молекула — наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Она может состоять из нескольких атомов, связанных между собой, а атом — отдельная частица химического элемента. Некоторые вещества, например благородные газы, состоят из отдельных атомов.
Почему броуновское движение подтверждает движение молекул?
Молекулы жидкости или газа непрерывно и хаотически движутся и ударяют по взвешенным частицам. Удары с разных сторон не уравновешиваются в каждый момент, поэтому наблюдаемая частица движется беспорядочно. Так молекулярное движение становится видимым косвенно.
Чем диффузия отличается от броуновского движения?
При диффузии частицы одного вещества распространяются среди частиц другого, поэтому вещества постепенно смешиваются. Броуновское движение — это беспорядочное движение крупных взвешенных частиц, вызванное ударами молекул среды. Оба явления связаны с хаотическим движением молекул, но наблюдаемое движение в них различается.
Притягиваются молекулы или отталкиваются?
Проявляются оба вида взаимодействия, и результат зависит от расстояния между молекулами. На сравнительно небольшом расстоянии преобладает притяжение, а при очень сильном сближении — отталкивание. Поэтому неверно считать, что молекулы только притягиваются.
§ 31. Основные положения молекулярно-кинетической теории
