"Физика. Базовый и профильный уровни", Тихомирова С.А., Яворский Б.М.
Молекулы вещества непрерывно и хаотично движутся, сталкиваются и взаимодействуют друг с другом. Их движение подтверждают диффузия и броуновское движение, а характер взаимодействия зависит от расстояния между частицами: на некотором удалении они притягиваются, а при сильном сближении отталкиваются. Эти представления помогают понять, почему тела сохраняют форму, газы можно сжимать, а температура связана с интенсивностью движения частиц.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Тепловое движение молекул — непрерывное хаотическое движение частиц вещества. Оно происходит при любой температуре выше абсолютного нуля, а его интенсивность связана с температурой. Это понятие помогает объяснить, почему вещества перемешиваются и почему частицы не остаются неподвижными даже в покоящемся теле.
Взаимодействие молекул — взаимное притяжение и отталкивание частиц, зависящие от расстояния между ними. Оно объясняет, почему молекулы не разлетаются бесконечно далеко и почему их нельзя бесконечно сближать. Без учёта взаимодействия нельзя описать ни устойчивость вещества, ни его сопротивление сжатию.
Силы межмолекулярного взаимодействия — силы притяжения и отталкивания между молекулами. Они имеют электрическую природу и быстро ослабевают с увеличением расстояния. Это означает, что заметно влиять друг на друга молекулы могут, когда находятся достаточно близко.
Потенциальная энергия взаимодействия молекул — энергия, связанная с их взаимным расположением. При изменении расстояния между частицами меняются и силы, и потенциальная энергия системы. Это понятие позволяет описывать, какую работу нужно совершить, чтобы сблизить молекулы или удалить их друг от друга.
Молекулы движутся потому, что вещество обладает внутренней энергией: его частицы не находятся в состоянии полного покоя. Наблюдать отдельные молекулы обычно нельзя, но их движение выдают диффузия и броуновское движение. При диффузии молекулы одного вещества проникают между молекулами другого и постепенно распределяются по объёму. Броуновская частица сама не является молекулой: она беспорядочно перемещается, получая неодинаковые удары от молекул жидкости или газа.
Движение молекул называют хаотичным, потому что у разных частиц нет общего направления перемещения. Столкновения меняют направление и скорость каждой молекулы, а взаимодействия влияют на её движение даже без прямого столкновения. Поэтому отдельные частицы движутся сложно и беспорядочно, хотя их совокупность подчиняется общим закономерностям. Хаотичное движение не означает, что всё вещество в целом обязательно перемещается в какую-то сторону.
Межмолекулярные силы возникают из-за электрических зарядов внутри атомов и молекул. Заряды распределены неодинаково: одни участки молекулы могут притягивать другие участки соседней молекулы, а электронные оболочки взаимодействуют между собой. В результате на расстояниях, где влияние зарядов ещё заметно, проявляются силы притяжения и отталкивания. Их соотношение зависит от взаимного расположения частиц и от того, насколько близко они находятся.
Когда молекулы находятся на сравнительно большом, но ещё заметном расстоянии, обычно преобладает притяжение: оно удерживает частицы рядом. При сближении сначала усиливается взаимодействие, но затем резко возрастает отталкивание, связанное, в частности, с сильным перекрыванием электронных оболочек. Поэтому молекулы не могут без ограничений сближаться и занимать одно и то же место. Сила взаимодействия быстро уменьшается при удалении, так что далеко разнесённые частицы почти не влияют друг на друга.
Агрегатное состояние зависит от того, насколько свободно движутся молекулы и как сильно они удерживаются взаимодействием. В твёрдых телах притяжение сохраняет устойчивое расположение частиц, которые в основном колеблются около положений равновесия. В жидкостях частицы остаются близко, но могут перемещаться относительно соседей, а в газах расстояния между молекулами велики и они движутся почти свободно. Эти различия проявляются в форме и объёме тел, текучести и сжимаемости газа.
Сравните характеристики по строкам: левая колонка показывает, что относится к движению частиц, а правая — к их влиянию друг на друга. Не следует путать температуру с силой взаимодействия: нагревание меняет интенсивность движения, тогда как сила зависит прежде всего от расстояния и расположения молекул. Таблица помогает связать микроскопические процессы с наблюдаемыми свойствами вещества.
| Характеристика | Движение молекул | Взаимодействие молекул |
|---|---|---|
| Что описывает | Перемещение частиц, изменение их скорости и направления | Взаимное притяжение и отталкивание частиц |
| Причина или физическая основа | Тепловая энергия частиц; столкновения и хаотическое движение | Электрическая природа сил, обусловленная строением молекул |
| Зависимость от температуры | При повышении температуры движение становится интенсивнее | Сила непосредственно зависит от расстояния; температура может менять расположение частиц |
| Зависимость от расстояния | Расстояние определяет частоту столкновений, но движение не сводится к одной зависимости | С удалением сила быстро ослабевает; при сближении проявляется отталкивание |
| Проявления в опытах и свойствах вещества | Диффузия, броуновское движение, тепловое движение в телах | Сохранение формы и объёма, сопротивление сжатию, агрегатные состояния |
Задача 1. Каплю красителя добавили в воду; со временем окраска распространилась по всему сосуду. Объясните наблюдение.
Сначала определим, что меняется: окраска появляется не только рядом с каплей, но и в удалённых частях воды. Значит, частицы красителя перемещаются и смешиваются с частицами воды. Одного неподвижного расположения молекул для такого результата было бы недостаточно.
Молекулы воды и красителя непрерывно и хаотично движутся, сталкиваются и меняют направление. Из-за этих перемещений частицы красителя постепенно оказываются в разных местах сосуда. Этот процесс взаимного проникновения веществ называется диффузией.
Направление распространения окраски не задаётся общим движением всей воды: отдельные молекулы движутся беспорядочно. Но множество случайных перемещений приводит к тому, что краситель распределяется по объёму. Поэтому наблюдение служит свидетельством теплового движения молекул.
Ответ: окраска распространяется из-за диффузии — хаотического теплового движения и взаимного перемешивания молекул воды и красителя.
Задача 2. Объясните, почему твёрдые тела сохраняют форму, хотя их молекулы движутся.
Нужно различать движение частицы и свободное перемещение по всему телу. В твёрдом теле молекулы расположены устойчиво относительно соседей, поэтому каждой из них доступна лишь небольшая область движения. Это позволяет частицам двигаться, не разрушая общего расположения вещества.
Молекулы колеблются около устойчивых положений равновесия. Если частица смещается, межмолекулярные силы стремятся вернуть её к такому положению: при отклонении в одну сторону может усиливаться притяжение, а при чрезмерном сближении — отталкивание. Поэтому частицы не разлетаются и не меняют свободно соседей.
Сохранение формы объясняется совместным действием движения и взаимодействия, а не неподвижностью молекул. Нагревание усиливает колебания, но пока твёрдое состояние сохраняется, частицы остаются связанными в устойчивом расположении. При достаточно сильном нагревании структура может измениться.
Ответ: твёрдое тело сохраняет форму, потому что его молекулы колеблются около положений равновесия, а взаимодействие удерживает их рядом.
Задача 3. При сжатии газа его объём уменьшили, не изменяя число молекул. Объясните, почему при дальнейшем сближении частиц резко возрастает сопротивление сжатию.
Число молекул осталось прежним, а объём стал меньше, следовательно, среднее расстояние между частицами уменьшилось. Для ответа важно выяснить, как меняются силы взаимодействия при таком сближении. Межмолекулярные силы не одинаковы на любых расстояниях.
На сравнительно больших расстояниях частицы газа взаимодействуют слабо, поэтому газ можно заметно сжать. По мере сближения молекул их электронные оболочки начинают сильнее перекрываться. При очень малом расстоянии резко преобладает отталкивание.
Чтобы продолжить сжатие, нужно преодолеть возрастающее отталкивание, то есть приложить всё большую силу. Поэтому сопротивление дальнейшему уменьшению объёма быстро растёт. Это не означает, что молекулы перестают двигаться: меняется расстояние между ними и становится существеннее их взаимодействие.
Ответ: при сильном сближении резко возрастают силы отталкивания между молекулами, поэтому газ всё сильнее сопротивляется дальнейшему сжатию.
Ошибка: считать молекулы в твёрдом теле неподвижными. Так думают, потому что твёрдое тело сохраняет форму и его частицы не перемещаются свободно. На самом деле молекулы колеблются около положений равновесия, а взаимодействие удерживает их в устойчивом расположении. Проверьте себя: если бы частицы совсем не двигались, тепловые колебания и связанное с нагреванием изменение их интенсивности было бы невозможно объяснить.
Ошибка: представлять молекулы только притягивающимися. Такое представление объясняет, почему вещество не распадается, но не объясняет его сопротивление сжатию. При сильном сближении резко проявляется отталкивание. Проверка проста: спросите себя, почему молекулы не могут бесконечно сближаться; ответ требует учёта силы отталкивания.
Ошибка: путать тепловое движение с направленным перемещением всего тела. Её допускают, потому что слово «движение» часто связывают с движением предмета целиком. Но тепловое движение хаотично: скорости и направления отдельных молекул различаются, и оно само по себе не задаёт общего перемещения вещества. Чтобы проверить рассуждение, отделите движение центра масс тела от движения частиц внутри него.
Ошибка: считать межмолекулярные силы одинаково сильными на любых расстояниях. Такое упрощение возникает, если помнить лишь, что частицы взаимодействуют, но не учитывать расстояние между ними. В действительности силы быстро ослабевают при удалении молекул, а при сильном сближении резко возрастает отталкивание. Проверяйте себя вопросом: насколько далеко друг от друга находятся частицы и какое взаимодействие при этом преобладает?
Для понимания темы нужно знать, что вещества состоят из атомов и молекул, и владеть основами молекулярно-кинетической теории. Движение и взаимодействие частиц помогают объяснить давление газа, диффузию и тепловое расширение. Эти представления понадобятся при изучении агрегатных состояний, внутренней энергии и уравнения состояния идеального газа. Так микроскопическое описание связывается с измеряемыми свойствами вещества.
Движутся ли молекулы в твёрдом теле?
Да. Молекулы твёрдого тела совершают тепловые колебания около устойчивых положений равновесия. Они не перемещаются свободно по всему телу, как частицы газа.
Почему молекулы не разлетаются, если они непрерывно движутся?
Потому что молекулы взаимодействуют друг с другом. На обычных межмолекулярных расстояниях притяжение удерживает частицы рядом, а их движение не означает, что они всё время удаляются друг от друга.
Почему молекулы при сближении отталкиваются?
При очень малом расстоянии электронные оболочки молекул начинают сильно перекрываться. Из-за электрических свойств частиц возникает резкое отталкивание, которое мешает молекулам занимать одно и то же место.
Как движение молекул связано с температурой?
Температура связана с интенсивностью теплового движения частиц: при нагревании средняя кинетическая энергия молекул увеличивается. При абсолютном нуле тепловое движение в классическом описании прекращается.
Что доказывает, что молекулы вещества движутся?
О движении молекул свидетельствуют диффузия и броуновское движение. При диффузии вещества постепенно перемешиваются, а броуновская частица беспорядочно движется из-за ударов молекул окружающей среды.
*§ 33. Движение и взаимодействие молекул
