§21. Движение молекул

Определения и обозначения

Тепловое движение — непрерывное хаотическое движение частиц вещества. Хаотическое значит, что частицы перемещаются в разных направлениях, а их движение не складывается в общий порядок. Интенсивность этого движения связана с температурой: чем выше температура, тем активнее движутся частицы. Понятие помогает объяснить, почему вещества меняются при нагревании и как связаны температура и движение частиц.

Броуновское движение — беспорядочное движение мелких частиц, взвешенных в жидкости или газе. Такие частицы заметно крупнее молекул, поэтому их можно наблюдать, например, в микроскоп. Они перемещаются из-за ударов молекул среды, которые действуют на них с разных сторон. Это явление позволяет судить о невидимом движении молекул.

Диффузия — взаимное проникновение частиц соприкасающихся веществ вследствие их теплового движения. Например, молекулы пахучего вещества постепенно распространяются среди молекул воздуха. Диффузия объясняет, как вещества смешиваются без перемешивания ложкой или другим внешним воздействием. По её скорости можно заметить, насколько интенсивно движутся частицы.

Скорость молекулы — векторная величина, характеризующая быстроту и направление движения отдельной молекулы. Векторная означает, что для описания скорости нужно указать не только численное значение, но и направление. После столкновений скорость молекулы может измениться и по величине, и по направлению. Это понятие помогает описывать движение отдельных частиц, даже если непосредственно наблюдать их нельзя.

Как это устроено

Молекулы вещества не могут двигаться по прямой бесконечно: они сталкиваются друг с другом и с другими частицами среды. При столкновении меняются скорость и направление движения каждой из них, поэтому движение в целом выглядит беспорядочным. Между столкновениями молекула продолжает перемещаться, а после нового столкновения её движение снова меняется. Так объясняется непрерывность теплового движения и его хаотичный характер.

В жидкости или газе взвешенная частица со всех сторон окружена молекулами среды. В каждый момент их удары не вполне уравновешивают друг друга: с одной стороны частица может получить более сильный толчок, чем с противоположной. Поэтому она перемещается, а следующие удары снова меняют её движение. Последовательность таких перемещений складывается в беспорядочную траекторию — наблюдаемое броуновское движение.

Молекулы разных веществ движутся хаотично и при этом могут переходить из одного вещества в другое. Частицы одного вещества постепенно оказываются среди частиц другого, а частицы второго — среди частиц первого. Так происходит взаимное проникновение веществ, называемое диффузией. Оно не требует, чтобы молекулы двигались в одном направлении: общий результат возникает из множества случайных перемещений.

При нагревании движение частиц становится интенсивнее, поэтому они быстрее перемещаются и чаще взаимодействуют. Из-за этого молекулы одного вещества быстрее распространяются среди молекул другого, а воздействие молекул среды на броуновские частицы становится заметнее. В газах частицы перемещаются свободнее, чем в жидкостях, поэтому диффузия обычно протекает быстрее и наблюдается нагляднее. В жидкостях и твёрдых телах диффузия тоже возможна, но, как правило, идёт медленнее.

Броуновское движение и диффузия дают возможность обнаружить последствия движения, которого нельзя увидеть напрямую. В первом случае наблюдают перемещение достаточно крупных взвешенных частиц, на которые действуют молекулы жидкости или газа. Во втором — постепенное распространение одного вещества среди другого. Оба явления объясняются тепловым движением частиц и подтверждают, что молекулы не находятся в покое.

Проявления теплового движения молекул

Сравнивайте в таблице, какие частицы можно наблюдать непосредственно и что именно вызывает их перемещение. Для двух первых явлений указано, как проявляется тепловое движение на опыте. Последняя строка показывает движение самих молекул, которое лежит в основе этих наблюдений.

Разбор задач

Краситель в воде

Каплю красителя внесли в стакан с водой. Нужно объяснить, почему со временем окрашивается вся вода. Важно не приписывать распространение красителя общему направленному потоку: в условии такого движения воды нет. Причину следует искать в движении частиц вещества.

1. Краситель и вода состоят из частиц, которые непрерывно движутся хаотично. После попадания капли частицы красителя оказываются рядом с частицами воды. Между столкновениями они перемещаются в разные стороны.
2. Молекулы красителя постепенно проникают между молекулами воды. Благодаря многочисленным перемещениям частицы красителя распространяются по всему объёму. Этот процесс взаимного проникновения веществ называется диффузией.
3. Проверьте объяснение: причина должна действовать и без перемешивания ложкой. Тепловое движение частиц происходит само по себе, поэтому распространение красителя продолжается и в неподвижной воде. Скорость процесса зависит от условий, в частности от температуры.

Ответ: вода окрашивается вследствие диффузии: хаотически движущиеся молекулы красителя постепенно распространяются среди молекул воды.

Запах в нагретом сосуде

В двух одинаковых сосудах наблюдают распространение запаха, но один сосуд нагрели. Нужно определить, где запах распространится быстрее, и объяснить выбор. Сравниваются одинаковые условия, кроме температуры, поэтому вывод можно связать с её влиянием на движение частиц. Запах распространяется благодаря диффузии молекул пахучего вещества в газе.

1. При более высокой температуре тепловое движение молекул интенсивнее. Поэтому молекулы пахучего вещества и окружающего газа быстрее перемещаются между столкновениями. Это меняет скорость распространения запаха.
2. В нагретом сосуде диффузия идёт быстрее, чем в ненагретом. Частицы пахучего вещества быстрее проникают в разные области сосуда. Следовательно, запах там распространяется быстрее.
3. Проверьте, что вывод не связан с количеством вещества или размером сосуда: по условию сосуды одинаковы. Отличается именно температура. Поэтому для объяснения достаточно указать её влияние на интенсивность теплового движения и скорость диффузии.

Ответ: запах быстрее распространится в нагретом сосуде, поскольку при повышении температуры диффузия ускоряется.

Движение мелких частиц в жидкости

Мелкие частицы в жидкости совершают беспорядочное движение. Нужно предсказать, как оно изменится при повышении температуры и уменьшении размера частиц. Наблюдаемое перемещение вызвано ударами молекул жидкости. Для ответа отдельно рассмотрим влияние каждого изменения.

1. При нагревании молекулы жидкости движутся интенсивнее и сильнее воздействуют на взвешенные частицы. Поэтому их беспорядочное перемещение становится заметнее. Это изменение связано с ростом интенсивности теплового движения среды.
2. Уменьшение размера частицы также делает её движение заметнее. Молекулам жидкости легче сообщить небольшой частице перемещение, чем значительно сдвинуть крупную. Удары с разных сторон не полностью компенсируют друг друга, поэтому частица меняет положение.
3. Проверьте вывод по причине явления: речь идёт не о самостоятельном движении частиц, а о воздействии молекул жидкости. Более интенсивное движение молекул и меньший размер частицы делают результат их неравномерных ударов заметнее. Оба изменения усиливают наблюдаемое броуновское движение.

Ответ: при нагревании и уменьшении размера частицы её беспорядочное движение становится заметнее: усиливается воздействие молекул жидкости, а небольшую частицу легче сдвинуть.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что броуновские частицы сами движутся хаотично независимо от среды. Так можно решить, потому что наблюдается именно перемещение крупной частицы, а молекулы жидкости невидимы. Но её движение вызывают неравномерные удары молекул среды; проверить себя можно вопросом, что именно толкает частицу.

Ошибка: полагать, что молекулы движутся только в газах. Это представление возникает из-за того, что распространение запаха в воздухе легко заметить. На самом деле тепловое движение есть также в жидкостях и твёрдых телах; проверка — вспомнить, что частицы вещества не находятся в покое ни в одном из этих состояний.

Ошибка: смешивать броуновское движение с диффузией. Оба явления беспорядочны и связаны с движением частиц, поэтому их легко принять за одно и то же. При броуновском движении наблюдают взвешенные частицы, а при диффузии — взаимное проникновение веществ; проверьте, что именно перемещается в условии.

Ошибка: думать, что при повышении температуры молекулы только начинают двигаться. Такое впечатление может возникнуть, если считать движение причиной, возникающей лишь при нагревании. Но оно непрерывно и при низкой температуре, а нагревание делает его интенсивнее; проверьте себя, различая наличие движения и скорость его протекания.

Связь с другими темами

Чтобы понять движение молекул, нужно знать, что вещества состоят из частиц — молекул и атомов. Также полезно помнить, что температура характеризует тепловое состояние тела: она связана с интенсивностью движения частиц. Эти представления связывают наблюдаемые явления с устройством вещества.

Тепловое движение пригодится при изучении температуры, внутренней энергии и тепловых явлений. Оно помогает объяснять, как нагревание влияет на состояние вещества и скорость происходящих в нём процессов. Диффузия и броуновское движение показывают, как свойства частиц проявляются в наблюдаемых явлениях.

Что запомнить

• Молекулы вещества находятся в непрерывном хаотическом движении.
• С повышением температуры тепловое движение становится интенсивнее.
• Броуновское движение — наблюдаемое проявление движения молекул среды.
• Диффузия происходит благодаря тепловому движению частиц.
• При более высокой температуре диффузия протекает быстрее.
• Наблюдения броуновского движения и диффузии подтверждают движение молекул.