"Физика (изд. ВЕНТАНА-ГРАФ)", Хижнякова Л.С., Синявина А.А.
Молекулы жидкости и газа непрерывно движутся, хотя само вещество может казаться неподвижным. Их хаотические удары заставляют крошечные взвешенные частицы перемещаться беспорядочно — это броуновское движение. Наблюдая его в микроскоп, можно увидеть косвенное свидетельство движения молекул. Чем выше температура, тем интенсивнее тепловое движение и обычно заметнее перемещения броуновских частиц. Это явление помогает понять диффузию и другие тепловые процессы.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Броуновское движение — непрерывное хаотическое движение мелких частиц, взвешенных в жидкости или газе. Его наблюдают в микроскоп: частицы перемещаются беспорядочно, хотя среда может казаться неподвижной. Это понятие помогает описать видимое явление и связать его с движением невидимых молекул.
Броуновская частица — достаточно крупная для наблюдения, но малая взвешенная частица, движение которой вызвано ударами молекул среды. Например, такими частицами могут быть крошечные частицы туши в воде. Их не следует путать с молекулами: частицы гораздо крупнее, а их перемещения можно увидеть через микроскоп.
Тепловое движение молекул — непрерывное беспорядочное движение молекул вещества, связанное с его температурой. Молекулы нельзя увидеть в обычный микроскоп, но их движение можно обнаружить по воздействию на более крупные частицы. Это понятие объясняет, почему вещество не перестаёт изменяться даже тогда, когда внешне покоится.
Диффузия — взаимное проникновение веществ вследствие хаотического движения их молекул. Например, запах постепенно распространяется по комнате, потому что молекулы газа перемещаются и смешиваются с воздухом. Этот термин нужен, чтобы отличать смешивание веществ от движения отдельных взвешенных частиц.
Роберт Броун наблюдал в микроскоп частицы пыльцы, находившиеся в воде. Они непрерывно перемещались и меняли направление, хотя вода внешне оставалась в покое. Наблюдение было важным именно потому, что движение нельзя было заметить без увеличения и оно не прекращалось само собой. Так проявлялось действие среды на очень маленькие частицы.
Движение частиц пыльцы нельзя объяснить их жизнедеятельностью: похожим образом движутся и неживые частицы, например частицы туши. Нельзя объяснить его и общим течением жидкости, если вода покоится и не имеет заметного направленного потока. При течении частицы в основном переносились бы в одну сторону, а при броуновском движении направление постоянно меняется. Значит, причина находится не в самой частице и не в общем движении жидкости.
Молекулы жидкости непрерывно движутся хаотически и сталкиваются с броуновской частицей. В каждый момент с разных сторон прилетает неодинаковое число молекул, а их удары могут быть неодинаковой силы. Поэтому воздействия не уравновешивают друг друга точно, и частица получает небольшое смещение. Затем соотношение ударов меняется, и она движется уже в другом направлении.
Броуновское движение связано с молекулярным движением, хотя сами молекулы не видны. Мы наблюдаем более крупную частицу, на которую молекулы воздействуют со всех сторон. Если бы молекулы среды были неподвижны, их удары не вызывали бы непрерывных беспорядочных перемещений. Поэтому наблюдение броуновских частиц служит свидетельством того, что молекулы вещества постоянно движутся.
Температура связана с интенсивностью теплового движения молекул: при нагревании их движение становится интенсивнее. Тогда удары молекул по взвешенным частицам в среднем оказываются более действенными, и броуновское движение обычно становится заметнее и быстрее. Это сравнение справедливо, если частицы и прочие условия в образцах одинаковы. Так по наблюдаемому явлению можно качественно судить о влиянии температуры.
В таблице сопоставлены сами молекулы и взвешенные частицы, чьё перемещение можно заметить. Сначала выясните, что именно движется и где это движение наблюдают, а затем сравните причины и проявления. Строки о температуре и подтверждении показывают, как видимое явление помогает судить о свойствах вещества.
| Сравниваемый признак | Движение молекул | Броуновское движение |
|---|---|---|
| Что движется | Молекулы вещества | Взвешенные мелкие частицы |
| Где наблюдается | Происходит в веществе; отдельные молекулы не видны в обычный микроскоп | В жидкости или газе; перемещения частиц наблюдают в микроскоп |
| Причина движения | Тепловое состояние вещества | Неодинаковые удары молекул среды |
| Как проявляется | Хаотические перемещения молекул | Беспорядочное движение частиц со сменой направления |
| Связь с температурой | При повышении температуры движение становится интенсивнее | При нагревании обычно становится заметнее и быстрее |
| Что подтверждает | Общее представление о строении и движении вещества | Непрерывное движение молекул среды |
В каплю воды поместили мелкие частицы туши и наблюдали их в микроскоп. Частицы беспорядочно перемещаются. Нужно определить явление и объяснить его причину.
Смотрим, что именно наблюдают: это мелкие частицы, взвешенные в воде, а не отдельные молекулы. Их движение беспорядочно и происходит в жидкости. Эти признаки соответствуют броуновскому движению.
Ищем причину перемещения. Молекулы воды хаотически движутся и сталкиваются с частицами туши. Число и сила ударов с разных сторон в каждый момент неодинаковы.
Делаем вывод: в результате неуравновешенных ударов частицы получают смещение, а при изменении соотношения ударов меняют направление. Для объяснения не требуется, чтобы вода текла.
Ответ: наблюдают броуновское движение; его вызывают неодинаковые удары молекул воды по частицам туши.
В двух одинаковых сосудах находятся взвешенные частицы в холодной и нагретой воде. Требуется определить, где их броуновское движение будет интенсивнее, и обосновать сравнение.
Сначала отмечаем, что сравниваются одинаковые сосуды с частицами в одной и той же среде — воде. Главное различие условий состоит в температуре. Поэтому ответ нужно связать с тепловым движением молекул.
В нагретой воде тепловое движение молекул интенсивнее, чем в холодной. Молекулы воздействуют на взвешенные частицы с разных сторон, а их удары не уравновешены в каждый момент.
При более интенсивном движении молекул броуновские перемещения обычно заметнее и быстрее. Следовательно, при прочих равных условиях движение сравниваемых частиц сильнее выражено в нагретой воде.
Ответ: в сосуде с нагретой водой, поскольку с повышением температуры усиливается тепловое движение молекул.
Жидкость в сосуде покоится и не имеет заметного общего течения, но броуновская частица продолжает менять направление. Нужно объяснить, почему это возможно.
Различаем покой жидкости как целого и движение её молекул. Отсутствие общего течения означает, что вода не переносится заметным потоком в одну сторону. Оно не означает, что молекулы остановились.
Молекулы хаотически движутся и ударяют частицу с разных сторон. В каждый момент удары отличаются по числу и силе, поэтому их действие не компенсируется полностью.
После каждого смещения картина ударов снова меняется. Частица продолжает перемещаться и менять направление, хотя среда не имеет заметного общего движения.
Ответ: направление меняется из-за непрерывных неодинаковых ударов хаотически движущихся молекул жидкости, а не из-за течения воды.
Ошибка — считать, что движутся только броуновские частицы, а молекулы жидкости неподвижны. Так можно подумать, потому что частицы видны, а молекулы — нет. Но именно движение молекул вызывает перемещение частиц. Проверьте себя: можете ли вы объяснить, откуда берутся удары, если молекулы неподвижны?
Ошибка — объяснять броуновское движение течением жидкости. Обычно видимые частицы действительно может переносить поток, поэтому эти явления легко спутать. Однако броуновское движение наблюдают и в покоящейся жидкости, а направления частиц постоянно меняются. Для проверки отличите общее перемещение среды от случайных ударов молекул.
Ошибка — путать броуновское движение с диффузией. Оба явления связаны с движением частиц вещества, поэтому их причины кажутся одинаковыми. Но при броуновском движении наблюдают отдельные взвешенные частицы, а диффузия — взаимное проникновение веществ. Проверьте, что именно меняется: положение заметной частицы или распределение смешивающихся веществ.
Ошибка — представлять тепловое движение как упорядоченное движение всех молекул в одну сторону. Такой образ возникает, если вообразить молекулы маленькими частицами, движущимися как единый поток. В действительности их движение хаотично, а с повышением температуры становится интенсивнее. Проверка проста: при общем движении в одну сторону вещество переносилось бы потоком, а не покоилось в целом.
Для понимания темы нужно знать, что вещества состоят из частиц, а молекулы очень малы. Представление о хаотическом движении молекул помогает объяснить диффузию и другие явления молекулярной физики. Связь температуры с интенсивностью движения пригодится при изучении внутренней энергии и тепловых явлений. Броуновское движение наглядно связывает наблюдаемое поведение частиц с невидимым движением молекул.
Почему броуновская частица движется, если жидкость неподвижна?
Жидкость может не иметь общего течения, но её молекулы всё равно хаотически движутся. Они непрерывно ударяют броуновскую частицу с разных сторон, и из-за неодинаковых ударов та меняет направление.
Движутся ли сами молекулы жидкости при броуновском движении?
Да, молекулы жидкости постоянно и беспорядочно движутся. Их удары и вызывают перемещение взвешенных частиц, которое можно наблюдать в микроскоп.
Чем броуновское движение отличается от диффузии?
При броуновском движении наблюдают беспорядочное перемещение отдельных взвешенных частиц. Диффузией называют взаимное проникновение веществ, происходящее благодаря движению их молекул.
Почему с повышением температуры броуновское движение усиливается?
При повышении температуры тепловое движение молекул становится интенсивнее. Поэтому молекулы чаще и сильнее воздействуют на броуновскую частицу, и её перемещения обычно становятся заметнее.
Можно ли увидеть движение отдельных молекул в обычный микроскоп?
Нет, молекулы слишком малы, чтобы различить их в обычный микроскоп. Но можно наблюдать достаточно крупные взвешенные частицы и по их движению судить о движении молекул среды.
§ 15. Броуновское движение. Движение молекул
