§ 42. Основные положения молекулярно-кинетической теории. Характер движения и взаимодействия молекул в газах, жидкостях и твёрдых телах

Определения и обозначения

Молекулярно-кинетическая теория — учение о строении вещества и свойствах тел на основе представлений о движении и взаимодействии частиц. Она позволяет связать наблюдаемые свойства тел с поведением невидимых молекул. С помощью этой теории объясняют, например, давление газа и различия агрегатных состояний.

Тепловое движение — непрерывное хаотическое движение частиц вещества, интенсивность которого зависит от температуры. Хаотическое означает, что частицы движутся в разных направлениях, а их движение не прекращается само по себе. Это понятие нужно, чтобы объяснять перемешивание веществ и связь температуры с движением молекул.

Межмолекулярное взаимодействие — притяжение и отталкивание частиц вещества на малых расстояниях. Оно определяет, насколько прочно частицы удерживаются рядом и как вещество сопротивляется сжатию или изменению формы. Без учёта взаимодействия нельзя объяснить устойчивость жидкостей и твёрдых тел.

Диффузия — самопроизвольное взаимное проникновение частиц соприкасающихся веществ вследствие их теплового движения. Например, молекулы запаха распространяются в воздухе и постепенно попадают в разные части комнаты. Диффузия показывает, что частицы движутся и могут перемешиваться без специального механического воздействия.

Как это устроено

Тела сохраняют свойства не потому, что их частицы неподвижны, а потому, что их поведение подчиняется общим закономерностям. Вещество состоит из частиц, между ними есть промежутки, и частицы взаимодействуют друг с другом. Эти идеи помогают объяснить наблюдаемые свойства: сохранение формы твёрдым телом, текучесть жидкости и сжимаемость газа.

Хаотическое движение молекул вызывает несколько наблюдаемых явлений. При диффузии частицы одного вещества постепенно попадают в промежутки между частицами другого и распространяются по всему доступному пространству. Броуновское движение — беспорядочное движение мелких частиц, заметное под микроскопом; оно возникает из-за неравномерных ударов молекул жидкости или газа. Давление газа тоже связано с движением: молекулы непрерывно ударяются о стенки сосуда и передают им импульс.

Температура связана со средней интенсивностью теплового движения частиц. При нагревании молекулы в среднем движутся быстрее, поэтому чаще и энергичнее перемещаются из одной части вещества в другую. По этой причине диффузия при более высокой температуре обычно идёт быстрее: частицы быстрее перемешиваются, хотя для разных веществ скорость процесса может отличаться.

Молекулярные силы зависят от расстояния между частицами. Когда частицы находятся на расстоянии, при котором они заметно влияют друг на друга, преобладает притяжение: оно удерживает их рядом. Если же частицы сблизить слишком сильно, начинает преобладать отталкивание, не позволяющее им бесконечно сближаться. Именно смена роли притяжения и отталкивания помогает объяснить устойчивые расстояния между молекулами.

В разных агрегатных состояниях соотношение расстояний и сил взаимодействия различно. В газе расстояния велики, поэтому молекулы почти свободно летят между столкновениями, а взаимодействие становится особенно заметным во время столкновений. В жидкости частицы расположены близко, но могут перемещаться с перескоками, сохраняя соседство с другими частицами. В твёрдом теле сильное взаимодействие удерживает частицы около устойчивых положений равновесия, где они колеблются.

Характер движения и взаимодействия молекул в разных агрегатных состояниях

Сравнивайте состояния по нескольким строкам сразу: расстояния между молекулами влияют на движение, взаимодействие и сжимаемость. Например, газ узнаётся не только по свободному движению частиц, но и по способности заполнять весь доступный объём. Если описание не совпадает с одним признаком, проверьте остальные.

Разбор задач

1. Определите агрегатное состояние вещества, если его частицы совершают колебания около почти неподвижных положений, а расстояния между ними малы.

Нужно сопоставить оба признака с моделью частиц в разных состояниях. Одних только малых расстояний недостаточно: близко друг к другу расположены частицы и в жидкости, и в твёрдом теле. Решающий признак здесь — колебания около почти неподвижных положений.

1. Уточняем характер движения: частицы не перемещаются свободно по всему объёму, а колеблются около определённых мест.
2. Сопоставляем это движение с агрегатными состояниями: свободное движение характерно для газа, перескоки — для жидкости, колебания около устойчивых положений — для твёрдого тела.
3. Проверяем второе условие: малые расстояния между частицами согласуются с плотным расположением частиц в твёрдом теле.

Ответ: вещество находится в твёрдом состоянии. Вывод опирается одновременно на характер движения и расстояния между частицами.

2. Объясните, почему запах духов постепенно распространяется по комнате и почему при нагревании этот процесс ускоряется.

Запах распространяется потому, что молекулы духов переходят в воздух и перемешиваются с молекулами воздуха. Они движутся хаотически, поэтому со временем попадают и в те части комнаты, где духов сначала не было. Нагревание усиливает тепловое движение, и перемешивание обычно происходит быстрее.

1. Определяем явление: взаимное распространение молекул духов и воздуха — это диффузия.
2. Находим причину: молекулы непрерывно и хаотически движутся, сталкиваются и меняют направление, поэтому постепенно распространяются по комнате.
3. Учитываем нагревание: при повышении температуры средняя скорость движения молекул увеличивается.
4. Делаем вывод: частицы быстрее перемещаются и перемешиваются, поэтому запах распространяется быстрее.

Ответ: запах духов распространяется вследствие диффузии, а нагревание ускоряет её благодаря более интенсивному движению молекул. Сквозняк тоже может переносить запах, но это уже движение воздуха целиком, а не только диффузия.

3. Сравните возможность сжатия газа, жидкости и твёрдого тела и объясните различия с точки зрения расстояний между молекулами.

При сжатии частицы должны сблизиться, поэтому важно, много ли между ними свободного пространства. В газе промежутки между молекулами велики; в жидкости и твёрдом теле частицы уже находятся близко. Сравним состояния именно по этому признаку, не смешивая сжатие с изменением формы.

1. Для газа отмечаем большие расстояния: внешнее давление может заметно уменьшить промежутки, поэтому газ хорошо сжимается.
2. Для жидкости отмечаем близкое расположение частиц: свободного пространства мало, поэтому жидкость сжимается слабо.
3. Для твёрдого тела учитываем, что частицы также близки и удерживаются взаимодействием около устойчивых положений. Поэтому заметно сжать твёрдое тело ещё труднее.
4. Сравниваем результат: газ сжимается лучше всего, жидкость — слабо, твёрдое тело — практически не сжимается в обычных условиях.

Ответ: различие в сжимаемости связано прежде всего с расстояниями между молекулами и промежутками между ними. Не следует объяснять лёгкую сжимаемость газа тем, что его молекулы сами по себе легко уменьшаются: изменяются расстояния между частицами.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что молекулы движутся только при нагревании. Так думают, потому что нагревание заметно ускоряет многие процессы, например распространение запаха. Но тепловое движение не прекращается при охлаждении, а становится менее интенсивным; проверка простая — различайте «движутся медленнее» и «не движутся».

Ошибка: представлять молекулы газа неподвижными или расположенными вплотную. Это противоречит модели газа: молекулы свободно движутся, а между ними есть большие промежутки, объясняющие сжимаемость. Проверьте себя вопросом: если частицы уже плотно соприкасаются, откуда газу взяться возможности заметно уменьшить объём?

Ошибка: утверждать, что молекулы только притягиваются. Притяжение действительно помогает частицам удерживаться рядом, поэтому его легко принять за единственную силу. Однако при очень малых расстояниях резко проявляется отталкивание; оно препятствует чрезмерному сближению. Для проверки учитывайте и притяжение, и отталкивание, а также расстояние между частицами.

Ошибка: считать, что молекулы жидкости свободно летают, как в газе. Такое представление возникает из-за текучести жидкости, но текучесть не означает больших промежутков между частицами. В жидкости молекулы остаются близко и перемещаются с перескоками; проверить это можно по тому, что жидкость сохраняет объём и сжимается слабо.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны представления о строении вещества, температуре и агрегатных состояниях, а также умение различать наблюдаемое свойство и его объяснение на уровне частиц. Эти знания станут основой для изучения давления газа, уравнения состояния идеального газа и термодинамики. Та же модель движения и взаимодействия помогает разбирать испарение, плавление, кристаллизацию, другие фазовые переходы и диффузию.

Что запомнить

• Вещество состоит из частиц, находящихся в непрерывном хаотическом движении.
• Частицы взаимодействуют: на больших расстояниях преобладает притяжение, на очень малых — отталкивание.
• С повышением температуры интенсивность теплового движения увеличивается.
• Диффузия является следствием хаотического движения частиц.
• В газах молекулы движутся почти свободно, а взаимодействие проявляется главным образом при столкновениях.
• В жидкостях молекулы расположены близко и могут перемещаться друг относительно друга.
• В твёрдых телах молекулы колеблются около устойчивых положений равновесия.