Основные положения

Определения и обозначения

Молекулярно-кинетическая теория — учение о строении вещества, движении и взаимодействии его частиц. Она связывает наблюдаемые свойства тела с поведением атомов и молекул. Благодаря этой теории можно объяснить давление, диффузию и различия между состояниями вещества.

Молекула — наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Она состоит из одного или нескольких атомов, соединённых между собой; характерный размер молекулы обычно около 10⁻¹⁰ м. Это понятие помогает перейти от видимого тела к его микроскопическому строению.

Тепловое движение — непрерывное хаотическое движение частиц вещества. Его интенсивность зависит от температуры: при нагревании частицы в среднем движутся быстрее. Поэтому температура связана не только с ощущением нагретости, но и с движением частиц.

Диффузия — взаимное проникновение частиц соприкасающихся веществ, а броуновское движение — беспорядочное движение небольшой наблюдаемой частицы под ударами молекул среды. Диффузия описывает перемешивание самих веществ, а броуновское движение показывает действие невидимых молекул на отдельное тело. Различие между явлениями помогает правильно интерпретировать опыты.

Как это устроено

Тело кажется сплошным, потому что отдельные частицы слишком малы и расположены очень близко для непосредственного наблюдения. Однако внешняя непрерывность не означает отсутствия промежутков между частицами. Огромное число молекул создаёт привычные свойства объёма, массы и формы тела, тогда как на малом масштабе обнаруживается дискретное строение.

Хаотическое движение молекул приводит к тому, что частицы одного вещества постепенно проникают между частицами другого. Так запах духов распространяется по комнате даже без заметного сквозняка: молекулы запаха сталкиваются с молекулами воздуха и меняют направление движения. В жидкости похожий процесс называют диффузией, а беспорядочные толчки крупной взвешенной частицы наблюдают как броуновское движение.

При повышении температуры средняя скорость частиц увеличивается, поэтому за одно и то же время они проходят больший путь. Столкновения становятся более энергичными, и вещества быстрее перемешиваются. Именно поэтому капля чернил быстрее распространяется в горячей воде, чем в холодной, если не учитывать перемешивание жидкости потоками.

Молекулы не только движутся, но и взаимодействуют друг с другом. На сравнительно больших расстояниях преобладает притяжение, а при чрезмерном сближении возникает сильное отталкивание. Баланс этих сил объясняет существование твёрдых тел, сохраняющих форму, жидкостей, сохраняющих объём, и газов, способных заполнять весь сосуд.

Основные положения теории подтверждаются наблюдениями: диффузией и растворением, броуновским движением, сжимаемостью газов, упругостью тел и поверхностным натяжением. Каждый такой опыт связывает измеряемое явление с моделью частиц, их движением или силами взаимодействия. Совокупность независимых подтверждений делает молекулярно-кинетическую теорию обоснованной физической теорией, а не догадкой.

Основные положения молекулярно-кинетической теории и их подтверждения

В таблице сначала указано положение теории, затем явление, которое можно наблюдать или исследовать опытным путём. Последний столбец показывает, какой вывод о микростроении вещества следует из этого явления. Полезно проверять каждое положение не по одному примеру, а по совокупности наблюдений.

Разбор задач

Распространение запаха духов

Условие. Объясните, почему запах духов постепенно распространяется по комнате, хотя заметного движения воздуха нет. Нужно отделить действие диффузии от возможного сквозняка или направленного потока воздуха. Рассматриваем молекулы пахучего вещества и молекулы воздуха.

1. Молекулы духов покидают поверхность жидкости и смешиваются с молекулами воздуха.
2. Каждая молекула движется хаотически и постоянно сталкивается с другими молекулами.
3. Из-за случайных перемещений молекулы запаха постепенно попадают в разные части комнаты, где их концентрация сначала была почти нулевой.

Ответ. Запах распространяется вследствие диффузии: хаотическое тепловое движение молекул переносит пахучее вещество по комнате даже без заметного потока воздуха. Направленное движение воздуха могло бы ускорить процесс, но не является его обязательной причиной.

Диффузия чернил в воде

Условие. Сравните распространение капли чернил в холодной и горячей воде, если воду не перемешивать. Объясните, в каком стакане окрашивание произойдёт быстрее. Нужно сравнить именно температуру, не добавляя действие ложки или движения самого сосуда.

1. В обоих стаканах молекулы воды и чернил совершают хаотическое тепловое движение.
2. В горячей воде средняя скорость частиц больше, поэтому столкновения происходят интенсивнее и частицы быстрее меняют положение.
3. Следовательно, молекулы чернил быстрее проникают между молекулами воды и распределяются по объёму.

Ответ. В горячей воде диффузия идёт быстрее, поэтому капля чернил раньше окрашивает весь объём. Причина состоит в усилении теплового движения частиц при повышении температуры.

Броуновская частица

Условие. Объясните, почему маленькая частица в жидкости движется беспорядочно и почему при увеличении её размеров движение становится менее заметным. Частицу рассматриваем как достаточно крупную для наблюдения, но малую по сравнению с объёмом жидкости. На неё одновременно действуют удары множества молекул.

1. Если бы удары молекул с разных сторон полностью уравновешивались, частица не получала бы заметного толчка.
2. В каждый момент число и сила ударов слева, справа, сверху и снизу немного различаются, поэтому возникает случайный результирующий толчок.
3. У крупной частицы больше масса и площадь поверхности, а множество ударов в большей степени усредняется, поэтому её ускорения и смещения заметны слабее.

Ответ. Броуновская частица движется беспорядочно из-за неравномерных ударов молекул жидкости. При увеличении её размеров и массы результат отдельных ударов меньше меняет скорость частицы, поэтому наблюдаемое движение ослабевает.

Типичные ошибки

Молекулы неподвижны, если тело покоится. Так путают покой всего тела с движением его частиц. Проверьте себя: покоится ли стакан в целом, если его молекулы продолжают сталкиваться и менять направления?

Диффузия — это любое перемешивание. Такое мнение появляется из-за внешнего сходства процессов, но перемешивание ложкой создаёт поток жидкости. Проверка проста: диффузия возможна и без направленного движения среды.

Броуновская частица движется сама по себе. На самом деле её толкают молекулы окружающей среды, а беспорядочность возникает из-за неравенства ударов. Спросите себя, исчезло бы движение в полностью неподвижной воображаемой среде.

При нагревании увеличиваются сами молекулы. Обычно меняются скорость их движения и средние расстояния между ними, а не размеры молекул. Для проверки различайте свойства частицы и состояние вещества в целом.

Связь с другими темами

До изучения темы нужны понятия вещества, массы, объёма и плотности, а также различие между макроскопическими и микроскопическими явлениями. Модель частиц станет основой для изучения температуры, внутренней энергии, давления газа и уравнения состояния идеального газа.

Позже она поможет объяснить фазовые переходы, теплопередачу, свойства растворов и поведение газов, жидкостей и твёрдых тел. Поэтому молекулярно-кинетическая теория связывает наблюдаемые свойства вещества с его внутренним строением.

Что запомнить

• Любое вещество состоит из огромного числа частиц.
• Частицы вещества непрерывно и хаотически движутся.
• Частицы взаимодействуют друг с другом.
• Тепловое движение усиливается при повышении температуры.
• Диффузия подтверждает движение частиц вещества.
• Броуновское движение подтверждает существование молекул и их хаотическое движение.