1. Основные положения молекулярно-кинетической теории

Определения и обозначения

Молекулярно-кинетическая теория — учение о строении вещества и свойствах тел через движение и взаимодействие частиц. Она связывает невидимый микромир с наблюдаемыми явлениями: давлением, диффузией, расширением и изменением агрегатного состояния.

Молекула — наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Молекулы могут состоять из нескольких атомов, а само вещество — из огромного числа таких частиц; поэтому свойства образца зависят не от одной молекулы, а от их совокупности.

Тепловое движение — непрерывное хаотическое движение частиц вещества. Слово «хаотическое» означает, что частицы движутся в разных направлениях и сталкиваются; интенсивность этого движения связана с температурой.

Диффузия — самопроизвольное взаимное проникновение частиц одного вещества между частицами другого. Она показывает, что частицы действительно перемещаются, даже если всё тело внешне кажется неподвижным.

Как это устроено

Вещество считают состоящим из отдельных частиц, потому что его можно делить на части, причём каждая часть сохраняет свойства исходного вещества. Опыты с растворением, испарением и распространением запахов показывают, что вещество не исчезает бесследно, а распределяется по пространству. Очень малые размеры частиц и промежутки между ними объясняют также сжимаемость газа и возможность смешивания веществ.

Частицы не остаются неподвижными, потому что получают энергию при взаимодействии с соседними частицами и постоянно сталкиваются. В газах они свободно перемещаются между столкновениями, в жидкостях меняют соседей, а в твёрдых телах в основном колеблются около определённых положений. При повышении температуры средняя энергия и скорость движения частиц увеличиваются, поэтому тепловые явления протекают интенсивнее.

Взаимодействие частиц зависит от расстояния между ними. Когда частицы находятся сравнительно далеко, слабее проявляется взаимное притяжение, а при сильном сближении электронные оболочки и другие внутренние структуры препятствуют дальнейшему сближению. Сочетание притяжения и отталкивания позволяет телам сохранять целостность, но не даёт частицам полностью сжаться в одну точку.

Диффузия подтверждает перемещение молекул: например, частицы красителя постепенно расходятся в воде даже без перемешивания. Броуновское движение — беспорядочное движение видимых в микроскоп частиц — возникает из-за неравномерных ударов молекул жидкости или газа. Чем выше температура, тем быстрее обычно идут оба процесса, поскольку движение молекул становится интенсивнее.

Отдельные молекулы движутся непредсказуемо, но огромное число частиц подчиняется устойчивым закономерностям. Так, давление газа связывают с частотой и силой ударов молекул о стенки, а температуру — со средней энергией их движения. Такой способ описания называют статистическим: вместо пути каждой частицы рассматривают средние величины и вероятные результаты.

Основные положения молекулярно-кинетической теории и их проявления

Таблицу удобно читать по строкам: сначала назвать положение МКТ, затем раскрыть его смысл и найти наблюдаемое подтверждение. Последний столбец помогает связать теоретическое утверждение с опытом или свойством тела. Если нужно объяснить явление, ищите, какое из трёх положений отвечает за него непосредственно.

Разбор задач

Распространение запаха духов

Условие: объяснить, почему запах духов постепенно распространяется по комнате даже при отсутствии перемешивания воздуха. Нужно определить причину перемещения пахучих частиц и не смешивать её с направленным потоком воздуха.

1. Молекулы духов покидают жидкость и оказываются среди молекул воздуха.
2. Все молекулы непрерывно хаотично движутся и сталкиваются, поэтому пахучие частицы переходят в соседние области.
3. Постепенно концентрация молекул духов выравнивается по комнате, хотя отдельные молекулы движутся в разных направлениях.

Ответ: запах распространяется благодаря диффузии, вызванной хаотическим тепловым движением молекул духов и воздуха.

Краситель в холодной и горячей воде

Условие: сравнить скорость распространения капли красителя в холодной и горячей воде. Предполагается, что объём воды и количество красителя одинаковы, а механическое перемешивание не используется.

1. В обоих стаканах молекулы воды и красителя движутся и постепенно смешиваются.
2. В горячей воде средняя скорость движения частиц больше, потому что температура выше.
3. Столкновения и переход частиц между соседними слоями происходят активнее, поэтому окрашивание распространяется быстрее.

Ответ: капля быстрее распределится в горячей воде; причина — более интенсивное тепловое движение частиц.

Давление нагретого газа

Условие: объяснить, почему при нагревании газа в закрытом сосуде увеличивается давление. Сосуд считаем жёстким, поэтому его объём и число молекул не меняются.

1. Молекулы газа постоянно движутся и ударяются о стенки сосуда.
2. При нагревании их средняя скорость и энергия увеличиваются, поэтому каждый удар в среднем становится сильнее.
3. За одинаковое время стенки получают больше импульса от ударов, а средняя сила давления возрастает.

Ответ: давление увеличивается из-за более частых и сильных столкновений движущихся молекул со стенками закрытого сосуда.

Типичные ошибки

Считать частицы неподвижными — ошибка, возникающая потому, что их движение нельзя увидеть непосредственно. Проверка: вспомните диффузию и броуновское движение, которые невозможны без движения частиц.

Путать диффузию с механическим перемешиванием — значит приписывать результат внешнему воздействию. При диффузии вещества смешиваются самопроизвольно; проверить себя можно вопросом: происходило ли перемешивание без встряхивания или потока?

Утверждать, что действуют только силы притяжения, неправильно. При очень малом расстоянии возникает существенное отталкивание; значит, в объяснении взаимодействия должны присутствовать оба вида сил.

Нельзя считать, что при нагревании увеличиваются сами молекулы. Обычно возрастает скорость их движения и меняются средние расстояния между ними; проверить ответ помогает сравнение размеров частицы с изменением объёма тела.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно различать вещество, тело и частицу, понимать смысл температуры и уметь описывать простые наблюдения за диффузией. Это создаёт основу для перехода от видимых свойств тела к поведению его частиц.

Дальше положения МКТ понадобятся при объяснении давления и законов идеального газа, агрегатных состояний, испарения, плавления и других тепловых явлений. Через них связывают микроскопическое движение частиц с измеряемыми величинами.

Что запомнить

• Все вещества состоят из частиц.
• Частицы вещества разделены промежутками.
• Частицы находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении.
• С повышением температуры интенсивность теплового движения увеличивается.
• Между частицами действуют силы притяжения и отталкивания.
• Диффузия и броуновское движение подтверждают движение частиц.
• Макроскопические свойства тел объясняются движением и взаимодействием большого числа частиц.