1. Основные положения молекулярно-кинетической теории

Определения и обозначения

Молекулярно-кинетическая теория — учение о строении и свойствах вещества через движение и взаимодействие его частиц. Она связывает то, что наблюдается у тела целиком, с поведением невидимых молекул, атомов или ионов. Это определение нужно, чтобы объяснять тепловые явления не только описанием, но и их микроскопической причиной.

Молекула — наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Она может состоять из одного или нескольких атомов, соединённых между собой. Понятие молекулы помогает отличать состав вещества от физического тела, которое включает огромное число таких частиц.

Тепловое движение — непрерывное хаотическое движение частиц вещества. Его интенсивность связана с температурой: при нагревании частицы в среднем движутся энергичнее. Это понятие используют, чтобы объяснить диффузию, давление газа и изменение внутренней энергии.

Диффузия — самопроизвольное взаимное проникновение частиц одного вещества между частицами другого. Она происходит без обязательного перемешивания всего тела внешней силой. По скорости диффузии можно судить о подвижности частиц и влиянии температуры на их движение.

Как это устроено

Вещество имеет дискретное, то есть состоящее из отдельных частиц, строение. Поэтому кусок вещества можно мысленно разделять на всё меньшие части, пока не останутся молекулы, атомы или ионы. Свойства тела зависят от того, какие частицы его образуют, как они расположены и как связаны между собой. Именно поэтому разные вещества отличаются плотностью, прочностью, температурой плавления и другими характеристиками.

Частицы постоянно и хаотично движутся, потому что обладают внутренней энергией. Внутри вещества энергия распределяется между множеством частиц, и их движения не складываются в одно общее направление. При повышении температуры средняя энергия движения увеличивается, поэтому частицы чаще и быстрее меняют положение. Так объясняется ускорение диффузии при нагревании.

Между частицами действуют силы притяжения и отталкивания, причём их соотношение зависит от расстояния. На сравнительно больших расстояниях притяжение помогает удерживать частицы рядом. При чрезмерном сближении резко возрастает отталкивание, не позволяющее частицам полностью наложиться друг на друга. Равновесное расположение частиц определяется совместным действием этих сил.

Диффузия наблюдается потому, что частицы одного вещества непрерывно перемещаются среди частиц другого. Постепенно они распределяются по доступному объёму, даже если внешнего перемешивания нет. В газах процесс обычно идёт быстрее из-за больших промежутков между частицами, а в жидкостях медленнее. Наблюдение диффузии подтверждает, что молекулы не покоятся.

Броуновское движение — беспорядочное перемещение достаточно крупной частицы, например пылинки, взвешенной в воздухе или жидкости. Оно возникает потому, что молекулы среды ударяют по частице с разных сторон, но эти удары в каждый момент не полностью уравновешены. Макроскопические свойства вещества, такие как давление или температура, складываются из огромного числа случайных взаимодействий. Поэтому отдельные движения хаотичны, а поведение тела в целом подчиняется устойчивым закономерностям.

Основные положения молекулярно-кинетической теории и их проявления

Таблица связывает каждое положение теории с его физическим смыслом и наблюдаемым подтверждением. При повторении темы сначала восстановите содержание второго столбца, а затем назовите явление из третьего. Так легче увидеть, как невидимые процессы на уровне частиц проявляются в опыте.

Разбор задач

Распространение запаха

Условие. Запах духов постепенно ощущается во всей комнате, хотя заметного движения воздуха нет. Нужно объяснить это явление с позиций молекулярно-кинетической теории. Необходимо отличить диффузию от направленного переноса воздуха.

1. Молекулы пахучего вещества покидают поверхность духов и оказываются среди молекул воздуха.
2. Они непрерывно и хаотично движутся, поэтому постепенно попадают в соседние области комнаты.
3. В результате происходит диффузия: молекулы духов проникают между молекулами воздуха и распределяются по большему объёму.

Ответ. Запах распространяется благодаря хаотическому движению молекул духов и их диффузии в воздухе. Поток воздуха может ускорить процесс, но для самого явления он не обязателен.

Растворение сахара

Условие. Сравним два стакана воды: в одном вода холодная, в другом горячая, а кусочки сахара имеют одинаковый размер. Требуется выяснить, где сахар растворится быстрее. Объяснение должно опираться на связь температуры с движением частиц.

1. В обоих стаканах молекулы воды движутся и сталкиваются с частицами сахара, отделяя их от кристалла.
2. В горячей воде средняя энергия теплового движения молекул больше, поэтому столкновения происходят интенсивнее.
3. Отделившиеся частицы сахара быстрее распределяются между молекулами воды, то есть диффузия идёт быстрее.

Ответ. Сахар быстрее растворится в горячей воде. При этом результат может зависеть и от перемешивания, размера кристаллов, количества сахара и воды.

Движение пылинки

Условие. Мелкая пылинка, находящаяся в воздухе, беспорядочно перемещается, хотя сама не является молекулой. Нужно установить причину её движения и объяснить, почему направление постоянно меняется. Рассматриваем ситуацию без заметного сквозняка.

1. Молекулы воздуха непрерывно движутся во всех направлениях и сталкиваются с поверхностью пылинки.
2. В каждый момент число и сила ударов с разных сторон немного различаются, поэтому возникает случайный толчок.
3. После нового столкновения соотношение ударов меняется, и пылинка получает толчок уже в другом направлении.

Ответ. Беспорядочное движение пылинки является броуновским. Его вызывает неравномерное действие множества молекул воздуха, а не самостоятельное тепловое движение пылинки как молекулы.

Типичные ошибки

Частицы неподвижны. Так считают, потому что твёрдое тело кажется покоящимся. Проверка проста: вспомните диффузию и броуновское движение — оба явления невозможны без постоянного движения частиц.

Тепловое движение — это движение тела целиком. Ошибка возникает из-за смешения двух разных уровней описания. Если тело покоится, его частицы всё равно движутся хаотично; нужно проверить, есть ли у всех частиц общее направление.

Между частицами действует только притяжение. Такое представление объясняет сближение, но не объясняет, почему частицы не сжимаются в одну точку. При малых расстояниях появляется сильное отталкивание, поэтому всегда учитывайте обе силы.

Молекула неделима. Молекулу иногда принимают за мельчайшую вообще частицу, хотя она состоит из атомов. Проверяйте формулировку: молекула является наименьшей частицей конкретного вещества, сохраняющей его химические свойства.

Связь с другими темами

До изучения темы нужны представления о строении вещества, атомах и молекулах. Также важно различать вещество и физическое тело: тело имеет форму и размеры, а вещество образует его и состоит из частиц.

Дальше теория поможет объяснить температуру, внутреннюю энергию и давление газа. На её основе выводят закономерности для идеального газа и связывают макроскопические параметры с движением частиц.

Эти идеи применяются при изучении агрегатных состояний и тепловых явлений. Они объясняют испарение, плавление, изменение объёма и переход вещества из одного состояния в другое.

Что запомнить

• Вещество состоит из частиц.
• Частицы вещества находятся в непрерывном хаотическом движении.
• Интенсивность теплового движения возрастает с повышением температуры.
• Между частицами действуют силы притяжения и отталкивания.
• Диффузия подтверждает движение молекул.
• Броуновское движение вызывается ударами молекул окружающей среды.
• Макроскопические свойства вещества определяются коллективным поведением его частиц.