"Физика", Изергин Э.Т.
Все вещества состоят из частиц, которые непрерывно и беспорядочно движутся. Это движение называют тепловым. Его можно обнаружить по диффузии — взаимному проникновению частиц разных веществ, а также по броуновскому движению. Температура показывает, насколько тело нагрето и насколько интенсивно движутся его частицы: при нагревании их средняя кинетическая энергия увеличивается, а при охлаждении уменьшается.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Молекула — мельчайшая частица вещества, сохраняющая его основные свойства. Например, молекула воды сохраняет свойства воды. Это понятие помогает объяснить, из каких частиц состоят тела и почему вещества могут смешиваться.
Тепловое движение — беспорядочное непрерывное движение частиц вещества. Частицы движутся в разных направлениях и сталкиваются друг с другом. Благодаря этому движению вещество может перемешиваться, а температура связана с его внутренним состоянием.
Диффузия — взаимное проникновение частиц одного вещества между частицами другого. При этом вещества постепенно смешиваются без обязательного перемешивания ложкой или потоком воздуха. Диффузия показывает, что частицы действительно движутся.
Температура — физическая величина, характеризующая степень нагретости тела и связанную со скоростью движения его частиц. Чем выше температура, тем больше средняя кинетическая энергия беспорядочного движения частиц. Поэтому температура позволяет сравнивать тепловое состояние тел.
Молекулы находятся в постоянном движении, потому что частицы вещества взаимодействуют и непрерывно получают энергию при столкновениях. Движение не прекращается само по себе: молекулы меняют направление и скорость, сталкиваясь с соседними частицами. Наблюдаемые явления, такие как распространение запаха или растворение, становятся понятными именно при таком представлении.
В газах молекулы находятся далеко друг от друга и быстро перемещаются, поэтому диффузия идёт сравнительно быстро. В жидкостях частицы расположены ближе, но могут менять соседей и перемещаться, поэтому смешивание тоже происходит. В твёрдых телах частицы удерживаются около определённых положений и главным образом колеблются, поэтому диффузия там наиболее медленная.
Броуновское движение наблюдают у очень маленьких частиц, взвешенных в жидкости или газе. Эти частицы видны в микроскоп, а отдельные молекулы — нет. Беспорядочные толчки со всех сторон заставляют взвешенную частицу двигаться, и такое движение служит косвенным доказательством движения молекул.
При повышении температуры частицы получают больше энергии и в среднем движутся интенсивнее. Они чаще и сильнее сталкиваются с соседними частицами, поэтому диффузия обычно ускоряется. При охлаждении средняя скорость движения уменьшается, и перемешивание веществ идёт медленнее.
Температура связана со средней кинетической энергией беспорядочного движения частиц. Кинетическая энергия — это энергия движения, поэтому при большей температуре её среднее значение больше. Речь идёт именно о среднем значении: в одном теле разные молекулы в каждый момент могут иметь неодинаковые скорости.
| Состояние тела | Движение частиц | Температура | Скорость диффузии |
|---|---|---|---|
| Тело охлаждено | Частицы движутся медленнее | Ниже | Меньше |
| Тело нагрето | Частицы движутся быстрее | Выше | Больше |
Таблица показывает общую связь между температурой и тепловым движением. Если сравниваются одинаковые вещества и подобные условия, нагретое тело имеет более интенсивное движение частиц и более быструю диффузию. Это не означает, что каждая частица движется с одной и той же скоростью.
Условие. Нужно объяснить, почему запах духов постепенно распространяется по комнате, даже если воздух в ней неподвижен. Видимого движения воздуха при этом может не быть. Требуется связать явление с движением молекул.
Ответ. Запах распространяется благодаря диффузии в газах. Молекулы духов беспорядочно движутся между молекулами воздуха, поэтому запах доходит до разных мест даже без заметного движения всего воздуха.
Условие. В два стакана налили одинаковые объёмы холодной и горячей воды. В каждый стакан добавили каплю чернил. Нужно определить, где чернила распространятся быстрее, и объяснить причину.
Ответ. Капля быстрее распространится в горячей воде. В холодной воде частицы движутся медленнее, поэтому смешивание занимает больше времени.
Условие. Два одинаковых тела имеют температуры 15 °C и 60 °C. Нужно сравнить среднюю скорость движения их частиц и определить, что произойдёт с частицами первого тела при нагревании до 60 °C. Сравниваются тела из одного и того же вещества.
Ответ. В теле с температурой 60 °C частицы в среднем движутся быстрее. При нагревании тела от 15 °C до 60 °C движение частиц станет более интенсивным, хотя скорости отдельных молекул всё равно будут различаться.
Ошибка: считать, что молекулы движутся только при нагревании. Так думают, потому что нагревание делает движение заметнее, но тепловое движение существует постоянно. Проверка: вспомните, что диффузия идёт и в холодном веществе, хотя медленнее.
Ошибка: путать движение молекул с направленным движением всего тела. Беспорядочные перемещения частиц не означают, что тело целиком перемещается в ту же сторону. Проверка: разделяйте движение тела как целого и хаотическое движение его частиц.
Ошибка: утверждать, что при повышении температуры все молекулы получают одинаковую скорость. Температура характеризует среднюю кинетическую энергию, а скорости отдельных частиц различаются. Проверка: используйте слово «в среднем», когда сравниваете движение частиц.
Ошибка: считать, что диффузия бывает только в жидкостях. Она происходит также в газах и твёрдых телах, хотя с разной скоростью. Проверка: приведите примеры запаха в воздухе и медленного проникновения частиц в твёрдое тело.
До изучения темы нужны представления о строении вещества, молекулах, атомах и агрегатных состояниях. Эти знания помогают понять, почему частицы по-разному расположены и движутся в газах, жидкостях и твёрдых телах. Без них трудно объяснить диффузию и температуру.
Дальше связь проявится при изучении внутренней энергии и теплопередачи. Движение частиц помогает объяснить нагревание, охлаждение и изменение агрегатных состояний вещества. Поэтому температура становится важной характеристикой тепловых процессов.
Тема связана с повседневными наблюдениями: распространением запахов, растворением веществ, смешиванием жидкостей и броуновским движением. Эти явления позволяют увидеть последствия движения невидимых молекул. Наблюдение за ними подтверждает молекулярное строение вещества.
Почему мы не видим движение отдельных молекул?
Молекулы слишком малы, а их движение происходит очень быстро и беспорядочно. Поэтому непосредственно наблюдать отдельную молекулу нельзя, но можно заметить результаты её движения, например диффузию.
Движутся ли молекулы в твёрдом теле?
Да, молекулы твёрдого тела непрерывно движутся. Обычно они не перемещаются далеко, а колеблются около определённых положений.
Почему запах распространяется по комнате?
Молекулы пахучего вещества хаотически движутся и проникают между молекулами воздуха. Поэтому запах постепенно распространяется даже тогда, когда воздух кажется неподвижным.
Почему диффузия в горячей воде происходит быстрее, чем в холодной?
В горячей воде молекулы движутся в среднем быстрее и чаще перемешивают частицы вещества. Поэтому капля чернил быстрее распространяется по всему объёму.
Можно ли считать температуру мерой скорости движения всех молекул?
Нет, температура связана со средней кинетической энергией беспорядочного движения частиц. Отдельные молекулы в одном и том же теле могут двигаться с разными скоростями.
§ 17. Движение молекул и температура тела
