"Физика (углублённый уровень)", Кабардин О.Ф., Орлов В.А., Эвенчик Э.Е. и др. / Под ред. Пинского А.А., Кабардина О.Ф.
Молекулярно-кинетическая теория объясняет свойства вещества движением и взаимодействием его частиц. Диффузия показывает, что молекулы непрерывно перемещаются, а броуновское движение позволяет обнаружить это движение по хаотическим перемещениям видимых частиц. Опыты с газами, жидкостями и твёрдыми телами подтверждают: тепловое движение существует всегда, ускоряется при нагревании и зависит от агрегатного состояния 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, основанное на представлениях о молекулах, их хаотическом движении и взаимодействии. Она связывает наблюдаемые свойства тела с поведением невидимых частиц. Поэтому с её помощью объясняют давление, диффузию и влияние температуры.
Диффузия — взаимное проникновение частиц одного вещества между частицами другого вследствие теплового движения. Например, запах постепенно распространяется по комнате, а чернила смешиваются с водой. Это явление нужно для обнаружения движения молекул по его видимому результату.
Броуновское движение — беспорядочное движение частиц, взвешенных в жидкости или газе, вызываемое ударами молекул среды. Наблюдаемая частица намного крупнее молекулы, поэтому её перемещение можно увидеть в микроскоп. По характеру этого движения делают вывод о движении невидимых молекул.
Тепловое движение — непрерывное хаотическое движение частиц вещества, интенсивность которого зависит от температуры. Оно не прекращается в обычных условиях даже тогда, когда тело покоится как целое. Чем выше температура, тем в среднем энергичнее движутся частицы.
При диффузии вещества постепенно смешиваются без перемешивания ложкой или потоком воздуха. Молекулы каждого вещества движутся беспорядочно и переходят в промежутки между молекулами другого вещества. Поэтому со временем частицы распределяются более равномерно, а самопроизвольное смешивание служит признаком их непрерывного движения.
Скорость диффузии зависит от температуры, агрегатного состояния и размеров частиц. При нагревании молекулы движутся быстрее и чаще меняют положение, поэтому смешивание ускоряется. В газах частицы разделены большими промежутками, в жидкостях перемещаются среди близких соседей, а в твёрдых телах в основном колеблются около устойчивых положений; более крупные частицы также движутся медленнее.
Броуновская частица получает толчки от огромного числа молекул жидкости или газа. Хотя сама частица видима, отдельные молекулы слишком малы, чтобы наблюдать их напрямую. Если частицы среды действительно движутся, их удары должны приводить к заметному перемещению такой частицы.
Движение броуновской частицы неравномерно, потому что удары с разных сторон не совпадают по времени и силе. В один момент сильнее толкают молекулы справа, в другой — слева или сверху. Поэтому частица постоянно меняет скорость и направление, не двигаясь по заранее заданной траектории.
Одного случайного наблюдения недостаточно для строгого научного вывода. Учёные измеряли перемещения броуновских частиц, сравнивали результаты разных опытов и проверяли зависимость движения от температуры и свойств среды. Совпадение количественных данных с расчётами, а также результаты опытов по диффузии подтвердили реальность молекул и их теплового движения.
| Эксперимент или явление | Что наблюдают | Молекулярное объяснение | Какой вывод следует |
|---|---|---|---|
| Диффузия в газах | Запах или газ постепенно распространяется по объёму | Молекулы хаотично перемещаются и сталкиваются | Молекулы газа находятся в непрерывном движении |
| Диффузия в жидкостях | Капля растворённого вещества смешивается с водой | Молекулы переходят между близко расположенными соседями | Частицы жидкости также движутся |
| Диффузия в твёрдых телах | Вещества медленно проникают друг в друга на границе | Частицы колеблются и постепенно меняются местами | Движение частиц есть и в твёрдом теле |
| Броуновское движение | Взвешенная частица беспорядочно перемещается | По ней неравномерно ударяют молекулы среды | Молекулы существуют и движутся |
| Зависимость интенсивности явления от температуры | При нагревании диффузия и броуновское движение усиливаются | Средняя энергия и скорость молекул возрастают | Тепловое движение связано с температурой |
Сначала определите, какое явление наблюдается, затем отделите видимый результат от его молекулярной причины. Последний столбец показывает, какой общий вывод о строении вещества можно сделать. Сравнение строк помогает увидеть, что разные опыты подтверждают одну и ту же теорию.
Условие. Запах духов распространяется по комнате, хотя заметного движения воздуха нет. Нужно объяснить это явление с точки зрения молекулярно-кинетической теории. Следует не приписывать распространение только воздушному потоку.
Ответ. Запах распространяется благодаря диффузии в газе. Её причина — непрерывное хаотическое движение молекул пахучего вещества.
Условие. Одинаковые капли чернил помещают в холодную и горячую воду, не перемешивая её. Нужно сравнить время смешивания и объяснить различие. Объём воды и количество чернил считаем одинаковыми.
Ответ. В горячей воде чернила распространяются быстрее. Это связано с усилением теплового движения молекул при повышении температуры.
Условие. При наблюдении броуновская частица всё время меняет направление и не движется по прямой. Нужно объяснить, почему её движение не прекращается и не имеет определённой траектории. Рассматриваем частицу, находящуюся в жидкости.
Ответ. Броуновская частица движется беспорядочно из-за случайных неравномерных ударов молекул жидкости. Удары продолжаются постоянно, поэтому движение не прекращается и не имеет устойчивой траектории.
Ошибка 1. Считать, что диффузия бывает только в газах. Так думают из-за заметного распространения запаха, но диффузия идёт и в жидкостях, и в твёрдых телах, только обычно медленнее. Проверка проста: вспомните примеры смешивания чернил с водой и взаимного проникновения веществ в твёрдых телах.
Ошибка 2. Отождествлять броуновское движение с движением всей жидкости или газа. На самом деле наблюдаемая частица перемещается из-за ударов молекул среды, а не потому, что среда целиком течёт. Проверьте себя: направление движения частицы должно случайно меняться.
Ошибка 3. Утверждать, что молекулы движутся только при высокой температуре. Тепловое движение существует при любой температуре, а нагревание лишь усиливает его. Значит, вопрос нужно формулировать не «движутся ли молекулы», а «насколько интенсивно они движутся».
Ошибка 4. Считать хаотическое движение молекул доказанным одним бытовым наблюдением. Научный вывод опирается на воспроизводимые опыты, измерения и совпадение результатов с теоретическими предсказаниями. Проверяйте, есть ли наблюдаемая зависимость и повторяется ли она в разных условиях.
До изучения темы нужны представления о строении вещества, частицах, температуре и тепловом движении. Эти знания позволяют перейти от наблюдаемого смешивания или перемещения частицы к объяснению на уровне молекул. Без такого перехода эксперимент остаётся только описанием внешнего явления.
Экспериментальные подтверждения молекулярно-кинетической теории служат основой для изучения давления газа и уравнения идеального газа. Давление связывают с ударами движущихся молекул о стенки сосуда. Макроскопические свойства вещества таким образом объясняются движением его частиц.
Диффузия и броуновское движение понадобятся при изучении агрегатных состояний, растворов и явлений переноса. Они помогают понять, как вещество распространяется, смешивается и передаёт энергию. Те же идеи используются при объяснении теплопроводности и других процессов.
Почему диффузия происходит даже в неподвижном на вид веществе?
Молекулы вещества непрерывно и хаотично движутся, хотя отдельные молекулы не видны. Поэтому они постепенно проникают между частицами другого вещества даже тогда, когда всё тело кажется неподвижным.
Чем броуновское движение отличается от обычного движения частицы?
Броуновское движение имеет случайный, беспорядочный характер и постоянно меняет направление. Его вызывает не действие одной направленной силы, а множество неравномерных ударов молекул среды по взвешенной частице.
Почему диффузия в газах происходит быстрее, чем в жидкостях?
В газах частицы расположены дальше друг от друга и слабее связаны, поэтому они легче перемещаются на большие расстояния. В жидкости соседние молекулы расположены плотнее и сильнее мешают движению.
Можно ли увидеть молекулы непосредственно в опыте с броуновским движением?
Нет, отдельные молекулы в таком опыте непосредственно не наблюдают. Видно движение крупной частицы, а о молекулах судят по ударам, которые заставляют её менять скорость и направление.
Как температура влияет на скорость диффузии и интенсивность броуновского движения?
При повышении температуры средняя скорость молекул увеличивается, поэтому диффузия обычно идёт быстрее. Удары по броуновской частице становятся более энергичными, и её хаотическое движение проявляется интенсивнее.
§ 14. Эксперименты, лежащие в основе молекулярно-кинетической теории
