§ 4. Движение молекул

Определения и обозначения

Тепловое движение — непрерывное и беспорядочное движение частиц вещества, зависящее от температуры. Частицы не движутся по одному общему направлению, а постоянно меняют скорость и направление. Это понятие нужно, чтобы объяснять свойства веществ и тепловые явления.

Диффузия — взаимное проникновение частиц соприкасающихся веществ вследствие их движения. Например, частицы запаха постепенно распределяются среди молекул воздуха. Диффузия показывает, что частицы могут перемещаться между частицами другого вещества.

Броуновское движение — беспорядочное движение мелких частиц, вызванное ударами молекул окружающей среды. Так может двигаться частица пыльцы в воде, хотя сама вода кажется неподвижной. Это явление помогает обнаружить движение невидимых молекул.

Средняя скорость движения молекул — характеристика движения частиц, связанная с температурой вещества. Отдельные молекулы в каждый момент движутся по-разному, поэтому рассматривают их среднюю скорость. При повышении температуры эта скорость возрастает.

Как это устроено

Молекулы не могут находиться в покое, потому что частицы вещества постоянно получают и передают энергию при взаимодействиях. Они притягиваются и отталкиваются, сталкиваются друг с другом и меняют направление движения. В твёрдом теле частицы в основном колеблются около устойчивых положений, а в жидкости и газе могут перемещаться заметно свободнее.

Беспорядочное движение молекул приводит к распространению вещества. Если в одном месте много частиц одного вида, они постепенно проникают в области, где их мало, потому что случайные перемещения происходят во всех направлениях. В результате концентрация частиц выравнивается, и возникает диффузия.

В газах диффузия идёт быстрее, поскольку расстояния между молекулами велики, а связи между ними слабые. В жидкостях частицы расположены теснее и сильнее взаимодействуют, поэтому их перемещение затруднено. В твёрдых телах частицы связаны особенно прочно и в основном колеблются, поэтому диффузия там протекает очень медленно.

Броуновская частица намного крупнее молекул, поэтому её движение можно наблюдать в микроскоп. Молекулы жидкости или газа непрерывно ударяют по ней с разных сторон. Удары не полностью уравновешиваются, и частица получает толчки в случайных направлениях, из-за чего её траектория становится беспорядочной.

При повышении температуры частицы получают больше энергии и в среднем движутся быстрее. Быстрые молекулы чаще перемещаются на заметные расстояния и быстрее проникают между частицами другого вещества. Поэтому диффузия в горячей воде идёт быстрее, чем в холодной, а запах в тёплом воздухе распространяется быстрее.

Проявления движения молекул в разных состояниях вещества

Таблица помогает сравнить не отдельные молекулы, а среднее поведение большого числа частиц. Чтобы предсказать скорость диффузии, сначала определите состояние вещества и расстояния между его частицами. Затем учтите температуру: нагревание ускоряет движение во всех состояниях.

Разбор задач

Задача 1. Распространение запаха

Условие. В комнате открыли флакон духов, но воздух не перемешивали. Через некоторое время запах почувствовали в разных местах. Нужно объяснить наблюдаемое явление.

1. Запах создают молекулы пахучего вещества, которые переходят из флакона в воздух.
2. Молекулы воздуха и духов непрерывно и беспорядочно движутся, поэтому молекулы запаха постепенно удаляются от места, где их концентрация велика.
3. Взаимное проникновение молекул духов и воздуха называют диффузией.

Ответ. Запах распространяется благодаря диффузии. Она происходит даже без заметного потока воздуха, потому что молекулы постоянно движутся хаотически.

Задача 2. Чернила в воде

Условие. Одинаковую каплю чернил поместили в стакан с холодной водой и в стакан с горячей водой. В каком стакане вода окрасится быстрее и почему?

1. В обоих стаканах происходит диффузия: частицы чернил проникают между молекулами воды.
2. В горячей воде молекулы в среднем движутся быстрее, чем в холодной.
3. Следовательно, частицы чернил быстрее распространяются по горячей воде и раньше окрашивают весь стакан.

Ответ. Быстрее вода окрасится в горячем стакане. Причина не в увеличении размеров молекул, а в возрастании средней скорости их движения.

Задача 3. Частица пыльцы в жидкости

Условие. В микроскоп видно, что частица пыльцы в воде движется рывками и всё время меняет направление. Какое явление наблюдают и чем оно вызвано?

1. Движение частицы беспорядочное, поэтому оно похоже на броуновское движение.
2. Молекулы воды невидимы, но непрерывно ударяют по поверхности частицы с разных сторон.
3. Из-за неодинакового числа и силы ударов частица получает случайные толчки и меняет направление.

Ответ. Наблюдается броуновское движение. Оно вызвано не самостоятельным движением пыльцы, а беспорядочными ударами молекул воды.

Типичные ошибки

Движение только в газах. Так считают, потому что в газе перемещение частиц заметнее. На самом деле в жидкостях частицы перемещаются, а в твёрдых телах колеблются; проверьте себя, вспомнив, что температура связана с движением частиц в любом состоянии.

Путаница диффузии с потоком. Направленное движение воздуха переносит вещество как поток, а диффузия возникает из-за случайных перемещений молекул. Чтобы не ошибиться, спросите: есть ли общий направленный поток или частицы расходятся сами?

Броуновская частица движется сама. Её принимают за самостоятельный источник движения, потому что удары молекул не видны. Проверка проста: без молекул среды толчков не было бы, значит, броуновское движение вызывается именно ими.

При нагревании растут молекулы. Размеры молекул не объясняют ускорение диффузии. Правильная проверка — назвать причину: увеличивается средняя скорость движения частиц и их энергия.

Связь с другими темами

До изучения движения молекул нужно знать, что вещества состоят из частиц, а газы, жидкости и твёрдые тела отличаются расположением и связью этих частиц. Это позволяет объяснить, почему диффузия протекает с разной скоростью.

Тема пригодится при изучении температуры, внутренней энергии и тепловых явлений. Она также помогает понять испарение, плавление, растворение и другие процессы как результат движения и взаимодействия частиц.

Что запомнить

• Молекулы вещества находятся в непрерывном беспорядочном движении.
• Движение молекул называют тепловым движением.
• Диффузия является следствием движения молекул.
• Броуновское движение вызывается ударами молекул окружающей среды.
• С повышением температуры движение молекул становится быстрее.
• Диффузия быстрее всего происходит в газах и медленнее всего в твёрдых телах.