§ 3. Основные положения молекулярно-кинетической теории

Определения и обозначения

Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) — теория, которая объясняет свойства тел и тепловые явления движением и взаимодействием частиц. Она связывает наблюдаемые свойства вещества с тем, что происходит на уровне молекул. С помощью этой теории можно объяснить, например, распространение запахов и сохранение формы твёрдого тела.

Молекула — наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Она состоит из атомов: например, в молекуле кислорода атомы одинаковые, а в молекуле воды — разные. Понятие молекулы помогает описывать состав вещества и его превращения, не рассматривая тело как сплошную среду.

Тепловое движение — непрерывное хаотическое движение частиц вещества. Слово «хаотическое» означает, что направления движения отдельных частиц постоянно меняются и не складываются в общее упорядоченное перемещение. Интенсивность такого движения связана с температурой: при нагревании оно усиливается.

Взаимодействие молекул — их взаимное влияние, проявляющееся в притяжении и отталкивании. Какое действие заметнее, зависит от расстояния между частицами: при сближении на очень малое расстояние сильным становится отталкивание. Это понятие нужно, чтобы объяснить, почему вещество удерживает форму или объём и сопротивляется сжатию.

Как это устроено

Макроскопическое тело — предмет, который можно наблюдать непосредственно, например капля воды или камень. В любом таком теле содержится огромное число частиц, поэтому отдельно проследить поведение каждой молекулы невозможно. Однако свойства большого тела складываются из поведения множества частиц, и теория позволяет связывать микроскопические процессы с тем, что мы наблюдаем.

Первое положение МКТ утверждает, что вещество состоит из частиц. Одно из оснований для этого вывода — делимость вещества: небольшой объём можно разделить на части, и это можно повторять. Другое основание — диффузия, то есть взаимное проникновение частиц разных веществ: краситель постепенно распределяется в воде, потому что вещества не являются сплошными и их частицы могут перемешиваться.

Второе положение гласит, что частицы непрерывно и хаотически движутся. Непосредственно увидеть отдельную молекулу в обычных условиях нельзя, но её движение проявляется в броуновском движении: мелкие взвешенные частицы беспорядочно перемещаются из-за ударов молекул среды. При нагревании молекулы движутся интенсивнее, поэтому диффузия обычно ускоряется.

Третье положение МКТ — частицы взаимодействуют друг с другом. Если бы между ними не было притяжения, тело не сохраняло бы целостность; если бы при сближении не возникало отталкивания, вещество можно было бы сжимать без ограничений. В реальности действие притяжения и отталкивания зависит от расстояния, поэтому твёрдое тело сопротивляется деформации, а вещества сохраняют определённые свойства.

Различия между газами, жидкостями и твёрдыми телами связаны с движением и взаимодействием их частиц. В газе частицы свободно перемещаются и заполняют весь доступный объём; в жидкости они могут перемещаться друг относительно друга, поэтому жидкость течёт. В твёрдом теле частицы удерживаются около устойчивых положений и колеблются около них, благодаря чему тело сохраняет форму.

Положения МКТ и их экспериментальные подтверждения

Пользуйся таблицей как цепочкой рассуждений: положение теории задаёт утверждение о частицах, а наблюдение помогает проверить его. Одно явление не обязательно подтверждает только одно положение: диффузия, например, связана и с частичным строением вещества, и с движением молекул. Поэтому важно объяснить, какой именно процесс связывает наблюдение с утверждением.

Разбор задач

Задача 1. Каплю красителя поместили в воду. Опишите, почему со временем окраска распространяется по всему объёму. Нужно объяснить, как вещество распространяется без перемешивания воды целиком.

1. Назовём наблюдаемое явление: молекулы красителя и воды постепенно перемешиваются. Такое взаимное проникновение частиц разных веществ называется диффузией.
2. Свяжем явление с положениями МКТ. Молекулы непрерывно движутся хаотически, поэтому молекулы красителя постепенно оказываются в разных частях воды.
3. Учтём, что молекулы воды тоже движутся и сталкиваются с молекулами красителя. Перемещение множества частиц приводит к распространению окраски по объёму.

Ответ: окраска распространяется из-за диффузии, вызванной хаотическим тепловым движением молекул красителя и воды.

Задача 2. Частицы дыма в воздухе движутся беспорядочно. Почему это движение не прекращается, если воздух неподвижен? Слово «неподвижен» здесь означает, что нет заметного общего потока воздуха, но не означает покоя молекул.

1. Различим частицу дыма и молекулы воздуха: частица дыма намного крупнее молекул окружающей среды.
2. Молекулы воздуха непрерывно и хаотически движутся, даже когда весь воздух как целое не перемещается в одном направлении.
3. Они ударяют по частице дыма с разных сторон. Удары не полностью компенсируют друг друга в каждый момент, поэтому частица меняет направление и движется беспорядочно.

Ответ: движение частиц дыма не прекращается из-за непрерывных ударов хаотически движущихся молекул воздуха; оно называется броуновским.

Задача 3. Сравните скорость распространения запаха в холодной комнате и в тёплой. Объясните различие с точки зрения МКТ. Сравниваем одно и то же вещество при разных температурах, не меняя других условий.

1. Распространение запаха связано с тем, что молекулы пахучего вещества смешиваются с молекулами воздуха, то есть происходит диффузия.
2. При более высокой температуре тепловое движение молекул интенсивнее. Они быстрее перемещаются и чаще меняют положение при столкновениях.
3. Поэтому молекулы запаха в тёплой комнате обычно быстрее достигают удалённых участков пространства, чем в холодной.

Ответ: в тёплой комнате запах распространяется быстрее, потому что нагревание усиливает тепловое движение и ускоряет диффузию.

Типичные ошибки

• Считать молекулы неподвижными. Их нельзя непосредственно увидеть, поэтому может показаться, что они покоятся. Проверь себя: диффузия и броуновское движение требуют непрерывного движения частиц.
• Путать броуновское движение с движением жидкости или газа. Беспорядочное перемещение броуновской частицы ошибочно принимают за поток всей среды. Чтобы проверить себя, спроси, что именно движется: частица получает толчки от молекул среды, даже если среда в целом не течёт.
• Представлять взаимодействие только как притяжение. Это упрощение возникает, если замечать лишь то, что частицы удерживаются вместе. Учти отталкивание на очень малых расстояниях: сопротивление сжатию показывает, что оно существенно.
• Принимать положения МКТ за прямое описание видимого тела. Так можно сделать, если забыть, что молекулы не наблюдаются невооружённым глазом. Проверь себя: положения теории — утверждения о частицах, которые подтверждаются опытами и объясняют наблюдаемые свойства вещества.

Связь с другими темами

Для изучения МКТ нужно различать атомы и молекулы — частицы вещества — и макроскопические тела, которые мы наблюдаем. Представления о движении молекул понадобятся при объяснении температуры и давления газа, а также при выводе уравнения состояния идеального газа. Взаимодействие частиц помогает понять тепловое расширение и различия агрегатных состояний. Изменения движения и взаимодействия при переходах между состояниями лежат в основе объяснения фазовых переходов.

Что запомнить

• Вещество состоит из частиц.
• Частицы непрерывно и хаотически движутся.
• Частицы взаимодействуют: притягиваются и отталкиваются.
• Диффузия подтверждает движение молекул.
• Броуновское движение вызывается ударами молекул среды.
• Повышение температуры усиливает тепловое движение частиц.