Основные положения

Определения и обозначения

Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) — объяснение свойств макроскопических тел движением и взаимодействием частиц. Макроскопическим называют тело, которое наблюдают как единое целое, не различая его отдельные молекулы. МКТ нужна, чтобы связать видимые свойства вещества с устройством на уровне частиц.

Тепловое движение — непрерывное хаотическое движение частиц вещества. «Хаотическое» означает, что частицы движутся в разных направлениях, а их движение не складывается в общее перемещение тела. Интенсивность этого движения связана с температурой, поэтому понятие помогает объяснить нагревание и охлаждение.

Броуновское движение — беспорядочное движение мелких частиц в жидкости или газе, вызванное ударами молекул. Броуновскую частицу можно увидеть, тогда как молекулы слишком малы для непосредственного наблюдения. Это явление позволяет судить о непрерывном движении молекул по движению более крупной частицы.

Диффузия — взаимное проникновение частиц соприкасающихся веществ вследствие их теплового движения. Например, частицы красителя постепенно распространяются среди частиц воды. Диффузия показывает, что частицы движутся и могут перемешиваться без заметного потока вещества как целого.

Как это устроено

Тела, которые мы видим и измеряем, состоят из огромного числа мельчайших частиц. Свойства целого возникают из поведения этих частиц и их совместного воздействия друг на друга. Поэтому МКТ рассматривает микроскопическую картину, чтобы объяснить наблюдаемые величины и явления. Одна частица обычно не определяет свойство всего тела, но согласованное поведение множества частиц его формирует.

Первое положение утверждает, что вещество состоит из частиц. В пользу этого говорят диффузия и броуновское движение: вещества могут перемешиваться, а мелкие взвешенные частицы приходят в движение под действием молекул среды. Если бы вещество было сплошным и не состояло из отдельных частиц, такие наблюдения было бы трудно объяснить. Эти опыты не показывают молекулы напрямую, но позволяют сделать вывод об их существовании.

Второе положение состоит в том, что частицы непрерывно и хаотически движутся. Они сталкиваются и меняют направление, поэтому их движение не обязательно заметно как перемещение всего вещества. При нагревании движение становится интенсивнее: частицы получают больше энергии и активнее перемещаются. Это помогает понять, почему диффузия при более высокой температуре обычно протекает быстрее.

Согласно третьему положению, частицы взаимодействуют друг с другом. При сравнительно больших расстояниях между частицами заметно притяжение, а при очень сильном сближении — отталкивание. Благодаря притяжению вещество может сохранять связность, а отталкивание препятствует бесконечному сближению частиц. Характер взаимодействия меняется с расстоянием, поэтому неверно говорить, что частицы только притягиваются или только отталкиваются.

Равновесие и покой тела как целого не означают, что его частицы остановились. Они продолжают хаотически двигаться и взаимодействовать, но в среднем их движения не приводят к перемещению тела в одном направлении. В макроскопических условиях мы наблюдаем устойчивые свойства именно потому, что хаотические движения множества частиц усредняются. Значит, отсутствие заметного изменения положения тела совместимо с непрерывными процессами внутри него.

Основные положения молекулярно-кинетической теории и их подтверждения

Сначала определи, какое положение требуется подтвердить, а затем соотнеси его с наблюдаемым явлением. Одно явление может давать основания для нескольких выводов, поэтому важно объяснить, какая именно его сторона связана с нужным положением. Таблица помогает не смешивать существование частиц, их движение и взаимодействие.

Разбор задач

Задача 1. Каплю красителя поместили в воду. Объясните, почему со временем окраска распространяется по всему объёму. Нужно определить, что переносит окраску и почему она не остаётся только рядом с каплей. Для этого проследим, как частицы красителя и воды ведут себя после соприкосновения.

1. Краситель состоит из частиц, которые попадают между частицами воды.
2. Частицы воды и красителя непрерывно и хаотически движутся, сталкиваются и меняют направление.
3. Из-за такого движения частицы красителя постепенно оказываются в разных частях воды. Это взаимное проникновение веществ называется диффузией.

Ответ. Окраска распространяется по объёму из-за диффузии: частицы красителя хаотически перемещаются среди частиц воды. Вода при этом не обязана перемещаться как единый поток.

Задача 2. В двух сосудах наблюдают броуновские частицы; один сосуд нагрели. Сравните характер их движения. Важно не приписывать движение самой броуновской частице напрямую нагревателю: его причина — удары молекул окружающей среды. Сравним, как температура меняет эти удары.

1. Молекулы жидкости или газа непрерывно движутся и ударяют по броуновским частицам с разных сторон.
2. При нагревании тепловое движение молекул становится интенсивнее, поэтому их удары сильнее и чаще меняются по величине и направлению.
3. Из-за неравномерности ударов броуновская частица движется беспорядочно; в нагретом сосуде это движение обычно заметнее и интенсивнее.

Ответ. В нагретом сосуде броуновские частицы движутся более интенсивно, поскольку молекулы среды при более высокой температуре движутся активнее.

Задача 3. Два твёрдых тела прижали друг к другу, но заметного взаимного проникновения не произошло. Объясните, как это согласуется с МКТ. Не следует считать, что отсутствие проникновения доказывает неподвижность частиц. Нужно разделить их тепловое движение и взаимное перемещение тел.

1. В твёрдом теле частицы связаны и не перемещаются свободно на большие расстояния, как частицы жидкости или газа.
2. Частицы совершают тепловое движение около устойчивых положений, но прижатие тел само по себе не обеспечивает обмена частицами между ними.
3. При тесном сближении частиц проявляется отталкивание, которое препятствует дальнейшему сближению. Поэтому возможны движение частиц и взаимодействие тел без заметного взаимного проникновения.

Ответ. Наблюдение согласуется с МКТ: частицы твёрдого тела движутся и взаимодействуют, но их связи и характер движения не позволяют им свободно проникать друг в друга.

Типичные ошибки

Считать молекулы неподвижными, если тело покоится, — значит смешивать движение тела как целого с движением его частиц. Так думают, потому что внутреннее движение обычно нельзя увидеть невооружённым глазом. Проверь себя: покой означает отсутствие общего перемещения тела, а не прекращение теплового движения частиц. Его подтверждают явления вроде диффузии.

Броуновское движение иногда принимают за движение самих молекул. Путаница возникает из-за того, что именно движение молекул приводит в движение видимую частицу. Но броуновская частица значительно крупнее молекул и перемещается из-за их неравномерных ударов. Проверь себя, задав вопрос: что именно наблюдают в опыте — молекулу или более крупную взвешенную частицу?

Объяснять диффузию только перемешиванием потоков — ошибка, потому что она может происходить и без заметного движения вещества как целого. Такое объяснение кажется естественным, если наблюдать быстрое смешивание жидкостей. Однако частицы постоянно движутся и при отсутствии потоков. Чтобы проверить объяснение, спроси, может ли вещество постепенно проникать в другое неподвижное вещество.

Неверно считать, что частицы только отталкиваются или только притягиваются. Это упрощение появляется, если учитывать лишь одно проявление взаимодействия, например сцепление или сопротивление сжатию. На деле характер взаимодействия зависит от расстояния: при сравнительно больших расстояниях преобладает притяжение, при сильном сближении — отталкивание. Проверяй, указано ли в рассуждении расстояние между частицами.

Связь с другими темами

Для изучения МКТ нужно представлять, что вещества состоят из атомов и молекул, и различать твёрдое, жидкое и газообразное состояния. В разных состояниях частицы по-разному расположены и могут двигаться, но сами положения о движении и взаимодействии сохраняют значение. Эти представления понадобятся при изучении давления газа, температуры и уравнения состояния. На них также основано объяснение тепловых процессов, включая нагревание и изменение состояния вещества.

Что запомнить

• Вещество состоит из частиц.
• Частицы непрерывно и хаотически движутся.
• Частицы взаимодействуют друг с другом.
• Диффузия подтверждает движение частиц.
• Броуновское движение вызывается ударами молекул.
• Нагревание усиливает тепловое движение частиц.