§ 21. Движение молекул

Определения и обозначения

Молекулярное движение — непрерывное и беспорядочное движение частиц вещества. Иными словами, частицы не остаются неподвижными и не перемещаются все согласованно в одном направлении. Это понятие помогает объяснить, почему вещества могут смешиваться и почему частицы оказывают давление.

Тепловое движение — движение молекул, обусловленное внутренней энергией вещества и зависящее от температуры. Оно происходит во всех веществах, хотя характер движения в газе, жидкости и твёрдом теле различается. Понятие нужно, чтобы связать микроскопическое поведение частиц с температурой и наблюдаемыми свойствами вещества.

Диффузия — самопроизвольное взаимное проникновение частиц соприкасающихся веществ. Частицы одного вещества постепенно оказываются среди частиц другого, и вещества перемешиваются без специального механического воздействия. Это определение позволяет описывать один из заметных результатов движения молекул.

Броуновское движение — беспорядочное движение видимых микрочастиц, вызванное ударами молекул окружающей среды. Например, в воде может перемещаться заметная под микроскопом крупинка, хотя сама вода кажется спокойной. Это явление важно тем, что движение молекул проявляется через движение доступной наблюдению частицы.

Как это устроено

Молекулы находятся в непрерывном движении, потому что обладают кинетической энергией, то есть энергией движения. Одновременно частицы притягиваются и отталкиваются, поэтому их скорость и направление зависят от окружающих молекул. В результате движение не прекращается, а постоянно меняет характер при взаимодействиях и столкновениях.

Движение называют беспорядочным не потому, что у молекул нет причин двигаться, а потому, что нельзя приписать всем частицам одно общее направление. После столкновения молекула может изменить скорость и полететь в другую сторону, а новое столкновение снова изменит её движение. Поэтому траектория отдельной частицы сложна, а предсказать её движение на длительное время трудно.

При диффузии молекулы одного вещества проникают между молекулами другого благодаря их хаотическому движению. Например, молекулы пахучего вещества распространяются в воздухе и постепенно попадают в разные части комнаты. Отдельные молекулы перемещаются во всех направлениях, но в целом происходит перемешивание веществ; результирующее перемещение обычно идёт от области большей концентрации к области меньшей.

С повышением температуры диффузия ускоряется, потому что средняя кинетическая энергия молекул становится больше. Частицы движутся интенсивнее и быстрее проходят расстояние между областями вещества. В газах молекулы в среднем расположены дальше друг от друга и могут свободнее перемещаться, поэтому диффузия там обычно быстрее; в жидкостях она медленнее, а в твёрдых телах — ещё медленнее из-за прочного расположения частиц.

Броуновское движение возникает, когда молекулы жидкости или газа ударяют по взвешенной в них микрочастице с разных сторон. Удары не компенсируют друг друга в каждый момент, поскольку их число и сила случайно различаются. Поэтому микрочастица перемещается беспорядочно, а её наблюдаемое движение показывает, что невидимые молекулы среды непрерывно движутся и сталкиваются с ней.

Проявления и особенности движения молекул

Чтобы различить явления, сначала определите, что именно перемещается: молекулы веществ или видимая микрочастица. Затем сравните причину движения и условия наблюдения. Таблица также показывает, что нагревание усиливает оба явления.

Разбор задач

Запах духов в комнате

Условие. Запах духов распространяется по комнате, хотя воздух кажется неподвижным. Нужно объяснить, почему запах доходит до людей, находящихся далеко от источника. Для решения выясним, какие частицы движутся и могут ли они перемещаться без заметного потока воздуха.

1. Запах связан с молекулами пахучего вещества, которые попадают в воздух при испарении духов.
2. Молекулы газа движутся беспорядочно и сталкиваются друг с другом, поэтому постепенно оказываются в разных частях комнаты.
3. Такое взаимное проникновение молекул пахучего вещества и воздуха называется диффузией. Направление движения отдельной молекулы случайно, но со временем пахучие молекулы распространяются по комнате.

Ответ. Запах распространяется из-за диффузии: молекулы духов хаотически движутся между молекулами воздуха. Видимое движение воздуха для этого не обязательно.

Краситель в холодной и горячей воде

Условие. В два стакана налили холодную и горячую воду и добавили одинаковое количество красителя. Нужно определить, где вода окрасится быстрее. Сравним температуру и скорость перемещения частиц, поскольку именно они определяют скорость диффузии.

1. В обоих стаканах молекулы воды и красителя движутся беспорядочно, поэтому вещества будут перемешиваться.
2. В горячей воде температура выше, а значит, средняя кинетическая энергия молекул больше. Частицы движутся интенсивнее и быстрее распространяются по объёму.
3. Следовательно, процесс диффузии в горячей воде идёт быстрее, чем в холодной. При прочих равных условиях стакан с горячей водой окрасится раньше.

Ответ. Быстрее окрашивание произойдёт в горячей воде, потому что повышение температуры ускоряет движение молекул и диффузию.

Пыльца в воде

Условие. Микрочастица пыльцы в воде совершает беспорядочные перемещения. Требуется объяснить причину движения и предсказать результат нагревания воды. Важно отличить движение самой частицы от движения невидимых молекул воды.

1. Пыльца — достаточно крупная для наблюдения микрочастица, а молекулы воды значительно меньше неё и непрерывно движутся.
2. Молекулы ударяют по пыльце с разных сторон, но число и сила ударов в каждый момент не одинаковы. Поэтому микрочастица получает толчки и перемещается непредсказуемо.
3. Это броуновское движение. При нагревании средняя кинетическая энергия молекул воды увеличится, и их удары станут интенсивнее.

Ответ. Пыльца движется из-за неравномерных ударов молекул воды; при нагревании воды броуновское движение станет интенсивнее.

Типичные ошибки

Неверно считать, что молекулы начинают двигаться только при нагревании. Так думают, потому что нагревание делает некоторые проявления движения заметнее, но тепловое движение существует и без него, пока у вещества есть внутренняя энергия. Проверьте себя: если вещество не нагревают, это не означает, что его молекулы остановились.

Не следует путать броуновское движение с диффузией. Ошибка возникает потому, что оба явления связаны с хаотическим движением частиц; однако при броуновском движется видимая микрочастица, а при диффузии перемещаются молекулы веществ. Чтобы проверить ответ, назовите частицу, чьё движение непосредственно наблюдается.

Нельзя утверждать, что каждая молекула при диффузии движется строго от большей концентрации к меньшей. Это направление характеризует общий результат перемещения большого числа молекул, тогда как отдельные частицы движутся хаотично. Проверка простая: различайте движение одной молекулы и результирующее перемещение множества частиц.

Диффузия происходит не только в газах и жидкостях, но и в твёрдых телах. Её ошибочно ограничивают текучими веществами, потому что в твёрдом теле перемешивание заметить сложнее. Проверьте себя: если процесс идёт очень медленно, это не означает, что он невозможен.

Связь с другими темами

Для понимания движения молекул нужно представлять, что вещество состоит из частиц, и знать, что такое молекула, масса и энергия. Также пригодится различие между газами, жидкостями и твёрдыми телами: частицы в них расположены и перемещаются неодинаково. Эти знания помогают объяснить, почему диффузия в разных состояниях вещества протекает с разной скоростью.

Движение молекул понадобится при изучении температуры и внутренней энергии, а также давления газа. На его основе рассматривают, как микроскопические свойства частиц связаны с наблюдаемыми характеристиками вещества. Эта связь лежит в основе молекулярно-кинетической теории.

Что запомнить

• Молекулы вещества находятся в непрерывном беспорядочном движении.
• Интенсивность теплового движения возрастает с повышением температуры.
• Диффузия является следствием движения молекул.
• Диффузия быстрее всего происходит в газах, медленнее — в жидкостях и твёрдых телах.
• Броуновское движение вызывается ударами молекул среды по микрочастице.
• Броуновское движение служит наблюдаемым подтверждением движения молекул.