"Физика. Молекулярная физика. Термодинамика (углублённый уровень)", Мякишев Г.Я., Синяков А.З.
Молекулярно-кинетическая теория объясняет свойства веществ через строение и движение мельчайших частиц — молекул, атомов и ионов. Она показывает, почему тела сжимаются и расширяются, чем отличаются газы, жидкости и твёрдые тела, как температура связана со скоростью движения частиц. Диффузия и броуновское движение служат наблюдаемыми подтверждениями молекулярного строения вещества.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Молекулярно-кинетическая теория — учение о строении вещества и свойствах тел, основанное на представлениях о частицах и их движении. Она связывает наблюдаемые свойства тела с поведением невидимых частиц. Поэтому с её помощью объясняют давление, температуру, расширение и переходы между агрегатными состояниями.
Молекула — наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Она состоит из связанных атомов; размеры большинства молекул имеют порядок 10⁻¹⁰ м. Понятие молекулы нужно, чтобы описывать состав вещества не как сплошную среду, а как систему очень малых частиц.
Тепловое движение — непрерывное и беспорядочное движение частиц вещества. Его интенсивность связана с температурой: при нагревании средняя скорость частиц увеличивается. Этот термин помогает объяснить диффузию, давление газа и изменение объёма тела.
Диффузия — взаимное проникновение частиц одного вещества между частицами другого вследствие их теплового движения. Например, запах распространяется в воздухе, а капля чернил постепенно окрашивает воду. Диффузия показывает, что частицы действительно движутся, даже если само тело кажется неподвижным.
Вещество рассматривают как совокупность отдельных частиц, потому что его свойства можно объяснить их строением и движением. Между частицами есть промежутки, поэтому частицы способны сближаться, а тело — сжиматься. При нагревании расстояния между частицами в среднем увеличиваются, из-за чего тело расширяется; сами частицы обычно не становятся крупнее.
Частицы не могут находиться в покое, потому что они получают энергию и сталкиваются с соседями. В газе они свободно перемещаются, в жидкости меняют соседей и положения, а в твёрдом теле колеблются около устойчивых положений. Повышение температуры увеличивает среднюю кинетическую энергию частиц, поэтому их движение становится интенсивнее.
Взаимодействие частиц зависит от расстояния между ними. На сравнительно больших расстояниях преобладает притяжение, а при слишком сильном сближении резко возрастает отталкивание. В твёрдом теле это удерживает частицы около определённых мест, в жидкости позволяет им перемещаться, но сохраняет близкое расположение, а в газе слабое взаимодействие не мешает свободному движению.
Диффузия подтверждает движение молекул, потому что вещества постепенно смешиваются даже без перемешивания потоком. В газах она идёт быстрее: частицы расположены далеко друг от друга и проходят большие расстояния между столкновениями. В жидкостях частицы теснее окружены соседями, поэтому их продвижение затруднено; нагревание ускоряет диффузию, так как движение становится энергичнее.
Броуновское движение наблюдают у маленьких частиц, взвешенных в жидкости или газе. Такая частица получает с разных сторон многочисленные удары молекул, но эти удары не компенсируют друг друга в каждый момент. Поэтому частица движется беспорядочно; её собственное движение не является тепловым движением молекул, а вызывается им.
| Положение или явление | Содержание | Наблюдаемое подтверждение | От чего зависит проявление |
|---|---|---|---|
| Вещество состоит из частиц | Атомов, молекул или ионов, между которыми есть промежутки. | Сжимаемость, расширение, растворение веществ. | Размеров частиц, расстояний между ними и агрегатного состояния. |
| Частицы находятся в непрерывном движении | Движение беспорядочное и не прекращается внутри вещества. | Диффузия, давление газа, броуновское движение. | Температуры, массы частиц и характера среды. |
| Частицы взаимодействуют друг с другом | Они притягиваются на одних расстояниях и отталкиваются при сближении. | Прочность твёрдых тел, вязкость жидкостей, существование вещества. | Расстояния между частицами и их энергией движения. |
| Диффузия | Частицы одного вещества проникают в промежутки между частицами другого. | Распространение запаха, смешивание чернил и воды. | Температуры, агрегатного состояния и площади контакта. |
| Броуновское движение | Беспорядочное движение видимой частицы под действием ударов молекул. | Зигзагообразное движение пылинки или частицы в жидкости. | Размера частицы, температуры и свойств окружающей среды. |
В первом столбце указано положение теории или явление, а в следующих — его смысл и опытное проявление. Последний столбец помогает понять, почему один и тот же эффект может протекать с разной скоростью или заметностью. При решении задач сначала определяйте, какое положение теории объясняет описанную ситуацию.
Почему запах духов постепенно распространяется по комнате, даже если в ней нет ветра? Нужно отличить перенос вещества потоком воздуха от самопроизвольного смешивания молекул. В неподвижном воздухе молекулы всё равно движутся хаотически и сталкиваются друг с другом.
Это диффузия в газе. Ветер мог бы дополнительно переносить запах потоком воздуха, но для самой диффузии он не нужен.
Каплю чернил помещают в два одинаковых сосуда: один с холодной водой, другой с горячей. В каком сосуде вода окрасится быстрее? Сравниваются одинаковые вещества и объёмы, поэтому главным различием остаётся температура.
В горячей воде диффузия протекает быстрее. Перемешивать воду специально нельзя, иначе результат будет связан ещё и с движением жидкости.
Масса воды m = 180 г = 0,180 кг, молярная масса M = 0,018 кг/моль, постоянная Авогадро Nₐ = 6,02·10²³ моль⁻¹. Требуется оценить число молекул N. Сначала найдём количество вещества, а затем умножим его на число частиц в одном моле.
Ответ: в 180 г воды содержится примерно 6,02·10²⁴ молекул. Полученное огромное число показывает, насколько велико количество частиц даже в небольшой порции вещества.
Считать, что молекулы неподвижны, — значит противоречить тепловому движению и диффузии. Такую ошибку допускают, потому что тело в обычных условиях кажется покоящимся. Проверьте себя: вспомните, могут ли без движения частиц распространяться запахи и смешиваться жидкости.
Путать диффузию с перемешиванием из-за течения или ветра неправильно, поскольку при диффузии перенос создаётся хаотическим движением частиц. Ошибка возникает, когда любое распространение вещества называют диффузией. Спросите себя, есть ли направленный поток среды: если есть, он участвует в переносе дополнительно.
Утверждение, что броуновская частица движется сама по себе, неверно. Её беспорядочное движение вызывают неравномерные удары молекул окружающей среды. Для проверки назовите отдельно движущуюся крупную частицу и молекулы, которые передают ей импульс.
При нагревании не увеличиваются сами молекулы: обычно возрастает скорость их движения и средние расстояния между ними. Такое представление появляется из-за смешения размеров частиц с размером тела. Проверьте рассуждение: расширение можно объяснить изменением промежутков между частицами.
До изучения темы нужно понимать, что вещество имеет частичное строение, знать основные агрегатные состояния и смысл температуры. Эти представления позволяют связать наблюдаемый результат с движением невидимых частиц.
Далее молекулярно-кинетическая теория понадобится при изучении идеального газа, давления газа, температуры и уравнения состояния. С её помощью объясняют, почему давление связано с ударами молекул о стенки сосуда.
Тема связана с химией и биологией. Она помогает понять химические реакции, растворение, газообмен и перенос веществ через клеточные мембраны.
Почему мы не видим молекулы невооружённым глазом?
Размеры большинства молекул порядка 10⁻¹⁰ м, поэтому отдельная молекула слишком мала для наблюдения глазом. Увидеть или обнаружить частицы можно с помощью специальных приборов и косвенных опытов.
Чем броуновское движение отличается от теплового движения молекул?
Тепловое движение — это беспорядочное движение самих молекул, атомов или ионов вещества. Броуновское движение — наблюдаемое беспорядочное движение крупной частицы, например пылинки в воде, вызванное ударами молекул.
Почему диффузия в газах происходит быстрее, чем в жидкостях?
В газах частицы находятся на больших расстояниях друг от друга и слабее связаны, поэтому свободно перемещаются на значительные расстояния. В жидкости частицы расположены плотнее и чаще сталкиваются, что замедляет взаимное проникновение веществ.
Исчезает ли движение молекул при охлаждении тела?
При охлаждении движение частиц становится менее интенсивным, но не прекращается полностью. Температура характеризует среднюю интенсивность теплового движения, а абсолютный нуль является предельным состоянием.
Почему тела не распадаются на отдельные частицы?
Между частицами действуют силы притяжения, удерживающие вещество вместе. В твёрдых телах эти силы особенно заметны, поэтому частицы лишь колеблются около определённых положений.
§ 2.1. Основные положения молекулярно-кинетической теории
