"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 3 частях)", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.; под ред. Орлова В.А. (ч. 1); Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И., под ред. Орлова В.А. (ч. 2); Генденштейн Л.Э., Кошкина А.В., Левиев Г.И. (ч. 3)
Вещество состоит из частиц, которые непрерывно движутся и взаимодействуют. Их строение помогает объяснить свойства тел: почему газ заполняет весь сосуд, жидкость течёт, а твёрдое тело сохраняет форму. Движение частиц подтверждают диффузия и броуновское движение. При изменении температуры меняется характер движения, а вместе с ним могут измениться состояние и свойства вещества. Эти представления лежат в основе молекулярно-кинетической теории.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Вещество — форма материи, состоящая из частиц; физическое тело — отдельный предмет, имеющий форму и размеры. Например, медная проволока — тело, а медь — вещество, из которого она сделана. Это различие нужно, чтобы не путать предмет с материалом, свойства которого мы изучаем.
Атом — электрически нейтральная частица химического элемента. Атомы служат структурными единицами вещества: они могут существовать отдельно или соединяться с другими атомами. Понятие атома помогает описывать состав вещества на уровне мельчайших частиц.
Молекула — наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Она состоит из одного или нескольких атомов, соединённых между собой: например, молекула воды включает два атома водорода и один атом кислорода. Молекула позволяет связать состав вещества с его химическими свойствами.
Тепловое движение — непрерывное хаотическое движение частиц вещества. Частицы не останавливаются даже тогда, когда тело кажется неподвижным: в твёрдом теле они колеблются, а в газе перемещаются. Это понятие помогает объяснять диффузию и влияние температуры на состояние вещества.
Одни и те же вещества могут выглядеть и вести себя по-разному: вода течёт, лёд сохраняет форму, а водяной пар заполняет пространство. Одних внешних наблюдений недостаточно, чтобы объяснить эти различия и предсказать, что произойдёт при нагревании или сжатии. Модель частиц помогает связать видимые свойства тела с тем, как устроены его мельчайшие составляющие. Так объяснение переходит от описания явления к его причине.
Если капнуть краситель в воду, со временем его частицы распространяются по всему объёму; подобное взаимное проникновение веществ называют диффузией. Она происходит потому, что молекулы обоих веществ хаотически движутся и перемешиваются. Броуновским движением называют беспорядочное перемещение мелких частиц, взвешенных в жидкости или газе. Его причиной служат неравномерные удары молекул среды, поэтому наблюдение подтверждает, что молекулы находятся в движении.
Частицы вещества не только движутся, но и взаимодействуют. На сравнительно больших расстояниях заметно притяжение, которое стремится удержать частицы рядом; при чрезмерном сближении сильнее проявляется отталкивание. Равновесное расстояние возникает там, где эти влияния уравновешиваются. Именно поэтому частицы не разлетаются сами по себе и не сливаются в одну точку.
В твёрдом теле частицы расположены близко и колеблются около положений равновесия, поэтому сохраняются форма и объём. В жидкости частицы также близки, но могут перемещаться относительно друг друга: жидкость сохраняет объём, однако принимает форму сосуда. В газе промежутки между частицами велики, а движение почти не ограничено соседями, поэтому газ занимает весь доступный объём. Такие различия в движении и взаимодействии объясняют и различную сжимаемость состояний.
Температура связана со средней энергией теплового движения частиц: при нагревании их движение обычно становится интенсивнее. Поэтому нагревание может изменить свойства вещества и привести к переходу между состояниями, например к плавлению или испарению. При охлаждении движение ослабевает, и возможны обратные переходы — конденсация или затвердевание. Конкретный переход зависит от вещества и условий, в частности от давления.
Сопоставляйте в таблице сразу несколько характеристик: расположение частиц само по себе не объясняет все свойства состояния. Например, способность газа заполнять сосуд связана и с большими расстояниями между частицами, и с их свободным движением. Сравнение строк помогает увидеть, как микроскопическое строение определяет наблюдаемые свойства тела.
| Свойство | Твёрдое тело | Жидкость | Газ |
|---|---|---|---|
| Расположение частиц | Частицы расположены близко и колеблются около положений равновесия | Частицы расположены близко, не закреплены и могут перемещаться относительно друг друга | Расстояния между частицами велики по сравнению с их размерами |
| Характер движения частиц | Колебательное движение около положения равновесия | Беспорядочное перемещение с частыми столкновениями | Свободное хаотическое движение во всех направлениях |
| Силы взаимодействия | Сильное притяжение удерживает частицы в устойчивом порядке | Притяжение сохраняет близость частиц, но позволяет им перемещаться | Взаимодействие обычно мало по сравнению с движением частиц |
| Форма и объём | Сохраняются форма и объём | Сохраняется объём, но форма принимает форму сосуда | Не сохраняются ни форма, ни объём |
| Сжимаемость | Практически не сжимаются | Сжимаются очень слабо | Легко сжимаются |
Задача 1. Запах духов постепенно распространяется по комнате, хотя воздух кажется неподвижным. Нужно объяснить, откуда берётся перемешивание, если нет заметного потока воздуха. Причина заключается в движении частиц, которое не видно глазом. Такое самопроизвольное перемешивание молекул пахучего вещества с воздухом — диффузия.
Ответ: запах распространяется благодаря хаотическому тепловому движению молекул и диффузии. Неподвижность воздуха означает лишь отсутствие заметного общего потока, а не остановку его молекул.
Задача 2. Сравним воду, лёд и водяной пар с точки зрения частиц. Во всех трёх случаях вещество состоит из молекул воды, но условия изменяют их расположение, движение и взаимодействие. Поэтому один и тот же химический состав не означает одинаковых физических свойств. Используем признаки агрегатных состояний из таблицы.
Ответ: различия льда, воды и пара объясняются не заменой молекул воды другими частицами, а изменением их расположения, движения и взаимодействия. Это и приводит к разным свойствам трёх состояний.
Задача 3. Найдём число молекул в 18 г воды, если молярная масса воды равна 18 г/моль, а постоянная Авогадро Nₐ = 6,02 · 10²³ моль⁻¹. Сначала массу нужно перевести в количество вещества, а затем количество вещества — в число частиц. Для этого используем связь ν = m/M и формулу N = νNₐ.
Ответ: в 18 г воды содержится 6,02 · 10²³ молекул. Единицы массы сокращаются при вычислении ν, поэтому результат выражается в молях.
Ошибка: считать, что промежутков между частицами нет. Обычно частицы невозможно различить глазом, поэтому вещество кажется сплошным, но это не означает, что его частицы соприкасаются повсюду. Чтобы проверить рассуждение, вспомните, что газ легко сжимается именно благодаря промежуткам между его частицами. Не смешивайте невидимость промежутка с его отсутствием.
Ошибка: путать атом и молекулу. Атом — частица химического элемента, а молекула состоит из одного или нескольких атомов и сохраняет химические свойства вещества. Путаница возникает потому, что оба слова обозначают очень маленькие частицы. Проверьте себя вопросом: описывается элемент или частица, сохраняющая свойства конкретного вещества?
Ошибка: представлять тепловое движение как согласованное перемещение всех частиц в одну сторону. На деле направление движения отдельных частиц хаотически меняется, а их среднее направленное перемещение отсутствует, если нет общего потока. Заблуждение может появиться, если принять распространение запаха за движение каждой молекулы по прямой к человеку. Для проверки отделяйте общий перенос вещества потоком воздуха от случайного движения частиц.
Ошибка: утверждать, что в газе частицы совсем не взаимодействуют. Взаимодействие существует, особенно при столкновениях, однако обычно расстояния между частицами велики и влияние взаимодействия между столкновениями невелико. Удобная модель газа может скрыть это взаимодействие, но модель не означает полного отсутствия сил. Проверьте себя: если частицы сталкиваются, их движение и взаимодействие нельзя считать совершенно независимыми.
Для изучения строения вещества нужно различать физическое тело, вещество и физическое явление, а также уметь описывать результаты наблюдений и простых опытов. Представления о частицах становятся основой молекулярно-кинетической теории, которая связывает движение молекул с температурой и давлением газа. Позже они помогут разобраться в уравнении состояния идеального газа. На них также опираются объяснения диффузии, испарения, кипения, плавления и других тепловых явлений.
Можно ли увидеть отдельные молекулы обычным микроскопом?
Нет, размеры молекул намного меньше разрешающей способности обычного оптического микроскопа. Их существование и свойства устанавливают по опытам и наблюдаемым явлениям, а отдельные крупные молекулы можно исследовать специальными приборами.
Почему твёрдое тело не растекается, если его частицы тоже движутся?
В твёрдом теле частицы колеблются около устойчивых положений, но не перемещаются свободно по всему телу. Силы взаимодействия удерживают их рядом, поэтому тело сохраняет форму.
Чем броуновское движение отличается от теплового движения молекул?
Тепловое движение — это хаотическое движение самих частиц вещества. Броуновское движение — беспорядочное движение достаточно крупных частиц, взвешенных в жидкости или газе, вызванное ударами молекул.
Почему запах распространяется быстрее в тёплом воздухе?
При повышении температуры молекулы в среднем движутся быстрее. Поэтому молекулы пахучего вещества и воздуха быстрее перемешиваются, хотя на распространение запаха влияют также движение воздуха и другие условия.
Почему газ легко сжимается, а жидкость почти невозможно сжать?
В газе расстояния между частицами велики по сравнению с их размерами, поэтому при сжатии эти промежутки можно уменьшить. В жидкости частицы уже расположены близко друг к другу, и заметно уменьшить расстояние между ними трудно.
§ 38. Строение вещества
