Основные положения

Определения и обозначения

Молекулярно-кинетическая теория — учение о строении вещества и свойствах макроскопических тел, основанное на движении и взаимодействии частиц. Макроскопическими называют тела, которые можно наблюдать непосредственно, а частицы относятся к микромиру. Теория нужна, чтобы объяснять видимые свойства вещества через поведение невидимых частиц.

Тепловое движение — беспорядочное непрерывное движение частиц вещества. Его интенсивность связана с температурой: при нагревании средняя скорость частиц увеличивается. Это понятие помогает объяснить, почему вещества перемешиваются и почему температура влияет на многие процессы.

Диффузия — взаимное проникновение частиц соприкасающихся веществ вследствие их хаотического движения. Например, молекулы запаха постепенно смешиваются с молекулами воздуха. Диффузия показывает, что частицы действительно движутся и могут переходить из одной области в другую.

Броуновское движение — беспорядочное движение частиц, взвешенных в жидкости или газе, вызываемое ударами молекул среды. Сама броуновская частица намного крупнее молекулы и потому может быть видна в микроскоп. Наблюдение её движения даёт прямое опытное свидетельство непрерывного движения молекул.

Как это устроено

Вещество рассматривают как совокупность отдельных частиц, потому что макроскопические свойства можно связать с их размерами, числом и расположением. Частицы имеют конечные размеры, а между ними есть промежутки, хотя в разных состояниях вещества эти промежутки различны. Огромное число частиц делает возможными устойчивые средние величины, например плотность и давление.

Хаотическое движение молекул приводит к диффузии: частицы постоянно меняют направления и постепенно расходятся из областей большей концентрации в области меньшей. Тем же движением объясняется броуновское движение, когда неравномерные удары молекул заставляют крупную частицу менять направление. В газе частицы могут удаляться на большие расстояния, поэтому газ сам распространяется и заполняет весь предоставленный объём.

Частицы взаимодействуют, потому что между ними действуют электрические силы. На сравнительно больших расстояниях обычно преобладает притяжение, удерживающее частицы рядом. При сильном сближении электронные оболочки и другие внутренние структуры препятствуют дальнейшему сближению, поэтому резко возрастает отталкивание.

Основные положения теории подтверждаются наблюдениями и количественными опытами. Диффузия показывает взаимное перемещение веществ, броуновское движение — действие молекулярных ударов, а опыты с тонкими плёнками позволяют оценивать размеры молекул. Сжимаемость газа и изменение его свойств при нагревании также согласуются с частичной моделью вещества.

Давление, объём и температура возникают как результат совместного действия огромного числа частиц. Давление газа связано с ударами молекул о стенки сосуда, объём — с доступным пространством для их движения. Температура характеризует среднюю интенсивность теплового движения, а не движение одной отдельной молекулы.

Основные положения молекулярно-кинетической теории и их проявления

Таблица помогает сопоставить каждое положение теории с наблюдаемым явлением и опытом, который его подтверждает. При анализе всегда нужно отделять саму модель частиц от её проверяемых следствий.

Разбор задач

Распространение запаха

Условие: объяснить, почему запах духов постепенно распространяется по комнате даже без перемешивания воздуха. Нужно найти причину движения пахучих частиц и их смешивания с воздухом.

1. Молекулы духов покидают область около источника и участвуют в хаотическом тепловом движении.
2. При столкновениях они меняют направление, поэтому постепенно попадают в соседние области комнаты.
3. Перемешивание молекул духов с воздухом называется диффузией и не требует направленного потока воздуха.

Ответ: запах распространяется благодаря хаотическому движению молекул и диффузии. Перемешивание идёт медленнее, чем при движении воздуха, но полностью не прекращается.

Оценка размера молекулы масла

Условие: капля масла объёмом 1,0 мм³ имеет массу 10⁻⁶ г. После растекания образовалась плёнка площадью 0,5 м². Оценить диаметр молекулы, считая толщину плёнки равной размеру молекулы.

1. Переведём объём: 1,0 мм³ = 10⁻⁹ м³.
2. Толщина плёнки равна отношению объёма к площади: d = V/S = 10⁻⁹ м³ / 0,5 м² = 2 · 10⁻⁹ м.
3. Следовательно, характерный размер молекулы оценивается величиной порядка нескольких нанометров. Масса в данном приближённом расчёте не нужна: она могла бы понадобиться для определения плотности.

Ответ: d ≈ 2 · 10⁻⁹ м, или около 2 нм. Это оценка, потому что плёнка может быть не идеально равномерной и состоять не строго из одного слоя.

Движение частиц дыма

Условие: сравнить движение частиц дыма в неподвижном воздухе при комнатной температуре и после нагревания. Объяснить, почему траектории остаются беспорядочными.

1. Частица дыма получает многочисленные удары молекул воздуха с разных сторон.
2. При комнатной температуре средняя скорость молекул меньше, поэтому движение частицы в среднем менее интенсивно.
3. После нагревания скорость молекул возрастает, и броуновское движение становится более заметным, но направления отдельных ударов по-прежнему случайны.

Ответ: при нагревании частицы дыма в среднем перемещаются активнее. Их траектории остаются беспорядочными, потому что каждый новый удар молекул имеет случайное направление.

Типичные ошибки

Считать молекулы неподвижными в твёрдом теле — ошибка, возникающая из-за внешней неподвижности предмета. На самом деле частицы колеблются около положений равновесия. Проверка проста: повышение температуры усиливает эти колебания.

Броуновское движение иногда смешивают с тепловым движением молекул. Броуновская частица видима, а её беспорядочное перемещение вызывают удары невидимых молекул среды; диффузия же означает смешивание самих веществ. Если в объяснении нет различия между крупной частицей и молекулами, рассуждение неполно.

Нельзя представлять промежутки между частицами одинаковыми в газах, жидкостях и твёрдых телах. В газе частицы расположены гораздо свободнее, в жидкости находятся ближе, а в твёрдом теле колеблются около устойчивых положений. Проверить себя можно по способности газа сжиматься и заполнять весь сосуд.

Ошибочно утверждать, что частицы всегда только притягиваются или только отталкиваются. Характер взаимодействия зависит от расстояния: при сближении резко возрастает отталкивание, а на больших расстояниях может преобладать притяжение. Значит, в объяснении состояния вещества нужно учитывать обе силы.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно различать макроскопические тела и микроскопические частицы, а также понимать смысл массы, объёма и температуры. Эти величины связывают наблюдения с моделью вещества.

Основные положения теории служат базой для изучения идеального газа, уравнения состояния и основного уравнения молекулярно-кинетической теории. Позже движение частиц поможет вывести количественные зависимости между давлением, объёмом и температурой.

Та же модель нужна при изучении фазовых переходов, внутренней энергии и термодинамики. Изменение движения и взаимодействия частиц объясняет плавление, испарение, конденсацию и нагревание тел.

Что запомнить

• Вещество состоит из частиц, находящихся между собой на определённых расстояниях.
• Частицы вещества непрерывно и хаотически движутся.
• Интенсивность теплового движения возрастает с повышением температуры.
• Между частицами действуют силы притяжения и отталкивания.
• Диффузия и броуновское движение подтверждают тепловое движение частиц.
• Макроскопические свойства вещества объясняются совместным действием огромного числа частиц.