Основные положения

Определения и обозначения

Молекулярно-кинетическая теория — учение о строении вещества и свойствах тел, основанное на представлении о движении и взаимодействии частиц. Она позволяет объяснять видимые свойства тела через поведение невидимых молекул. Например, плотность, текучесть и способность сохранять форму связаны с тем, как частицы расположены и движутся.

Тепловое движение — беспорядочное непрерывное движение частиц вещества, интенсивность которого зависит от температуры. Оно происходит в газах, жидкостях и твёрдых телах, хотя характер движения в них различается. Это понятие помогает связать температуру тела с движением его частиц.

Диффузия — взаимное проникновение частиц соприкасающихся веществ вследствие их теплового движения. Она идёт без обязательного перемешивания ложкой или потоком воздуха. По диффузии можно судить о том, что частицы веществ перемещаются и смешиваются друг с другом.

Броуновское движение — беспорядочное движение взвешенных в жидкости или газе частиц, вызываемое ударами молекул окружающей среды. Наблюдаемая частица гораздо крупнее молекул, но её перемещения показывают, что молекулы среды постоянно движутся. Это явление помогает обнаружить движение, которое нельзя увидеть непосредственно.

Как это устроено

Свойства вещества можно объяснять поведением его мельчайших частиц, потому что именно из них состоят тела. Их расположение и взаимодействие определяют, насколько легко тело меняет форму, сжимается или течёт. Например, газ занимает весь предоставленный объём, так как его частицы могут свободно перемещаться далеко друг от друга. Твёрдое тело сохраняет форму благодаря более тесному расположению частиц и их взаимодействию.

Диффузия подтверждает непрерывное движение молекул, потому что вещества постепенно смешиваются даже без заметного перемешивания. Молекулы одного вещества перемещаются между молекулами другого, а их хаотические движения в итоге разносят вещество в разные стороны. Если бы молекулы были неподвижны, самопроизвольное взаимное проникновение не происходило бы. Так, запах духов со временем ощущается в разных местах комнаты, хотя воздух может казаться неподвижным.

Броуновская частица движется беспорядочно, потому что молекулы жидкости или газа ударяют по ней с разных сторон. В каждый момент число и сила ударов с одной стороны могут немного отличаться от ударов с другой. Поэтому результирующая сила — итоговое действие всех толчков — меняется по величине и направлению. Непредсказуемые изменения этой силы и заставляют частицу двигаться зигзагами.

Температура связана с интенсивностью теплового движения: при нагревании частицы в среднем движутся энергичнее. Они быстрее распространяются и чаще проникают в промежутки между частицами другого вещества, поэтому диффузия ускоряется. В горячей воде сахар обычно растворяется быстрее, чем в холодной, если условия опыта одинаковы. При этом молекулы не становятся крупнее — меняется характер их движения.

Частицы взаимодействуют: на одних расстояниях заметно притяжение, а при слишком тесном сближении — отталкивание. Притяжение помогает веществу сохранять связность: благодаря ему частицы не разлетаются сами по себе. Отталкивание мешает частицам занять одно и то же место и объясняет сопротивление сжатию. Совместное действие этих сил помогает объяснить существование твёрдых тел и жидкостей, а также упругость веществ.

Основные положения молекулярно-кинетической теории и их подтверждение

Чтобы пользоваться таблицей, связывай каждое положение теории с конкретным наблюдением и спрашивай себя, какой вывод оно позволяет сделать. Одно явление может подтверждать сразу несколько идей: диффузия показывает и движение частиц, и то, что между ними есть промежутки. Таблица помогает не путать само положение теории с его экспериментальным подтверждением.

Разбор задач

Запах духов в комнате

Условие: объяснить, почему запах духов распространяется по комнате, даже если заметного движения воздуха нет. Нужно определить, какое явление переносит молекулы пахучего вещества, и связать его с движением частиц. Сильный поток воздуха для объяснения не требуется.

1. Молекулы духов попадают в воздух и движутся в нём хаотически. Воздух тоже состоит из движущихся молекул, между которыми могут перемещаться молекулы духов.
2. Из-за беспорядочного движения молекулы духов постепенно оказываются в новых местах. Их взаимное проникновение с молекулами воздуха называется диффузией.
3. Учитываем, что хаотическое движение не означает, будто все молекулы одновременно идут в одну сторону. Но со временем пахучее вещество распространяется по комнате, хотя движение отдельных молекул не видно.

Ответ: запах распространяется благодаря диффузии, вызванной тепловым движением молекул духов и воздуха. Отсутствие заметного движения воздуха не означает, что его молекулы неподвижны.

Растворение сахара в холодной и горячей воде

Условие: сравнить, как быстро растворится кристаллик сахара в воде разной температуры, если прочие условия одинаковы. Требуется объяснить различие не изменением размеров молекул, а их движением. Также важно не спутать растворение с одним лишь механическим перемешиванием.

1. В воде молекулы непрерывно движутся, а молекулы сахара постепенно переходят с поверхности кристалла в воду. Они смешиваются с молекулами воды благодаря диффузии.
2. В горячей воде тепловое движение интенсивнее, чем в холодной. Частицы быстрее перемещаются, поэтому обмен частицами между кристаллом и водой идёт быстрее.
3. Сравниваем результат при одинаковом размере кристалла и одинаковом перемешивании. При этих условиях температура влияет на скорость процесса, а не на размер частиц вещества.

Ответ: обычно сахар быстрее растворяется в горячей воде, потому что при более высокой температуре диффузия идёт интенсивнее. Если перемешивать воду по-разному или взять кристаллы разных размеров, сравнение будет менее наглядным.

Беспорядочное движение броуновской частицы

Условие: объяснить, почему броуновская частица движется беспорядочно, хотя молекулы жидкости ударяют по ней со всех сторон. На первый взгляд, толчки должны полностью уравновешиваться. Нужно выяснить, почему равенство ударов не сохраняется каждое мгновение.

1. Вокруг броуновской частицы постоянно движутся молекулы жидкости и сталкиваются с ней. С каждой стороны за небольшой промежуток времени происходит множество ударов.
2. Число ударов и передаваемая ими сила не бывают совершенно одинаковыми со всех сторон. Поэтому в данный момент толчки могут сильнее подействовать, например, справа, чем слева.
3. Неуравновешенные толчки создают результирующую силу, которая смещает частицу. В следующий момент соотношение ударов меняется, поэтому меняются направление и величина её движения.

Ответ: движение броуновской частицы беспорядочно из-за непрерывных случайных изменений результирующей силы ударов молекул. Частица не движется вслед за одним постоянным толчком, а получает множество неодинаковых толчков.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что молекулы движутся только в газах. В жидкостях и твёрдых телах тепловое движение тоже есть, но в твёрдом теле частицы обычно колеблются около определённых положений. Эту ошибку допускают, смешивая свободу перемещения газа с наличием движения вообще. Проверка: спроси себя, прекратились бы все тепловые явления в твёрдом теле, если бы его частицы не двигались.

Ошибка: путать диффузию с перемешиванием потоком или механическим воздействием. При диффузии частицы проникают друг в друга благодаря собственному тепловому движению, даже если вещество не размешивают. Поток может ускорить перенос, но он не является определением диффузии. Проверка: подумай, продолжалось бы смешивание, если бы внешнее перемешивание прекратилось.

Ошибка: утверждать, что при нагревании частицы становятся крупнее. Нагревание усиливает их тепловое движение, а не увеличивает размеры самих молекул. Такую ошибку допускают, принимая расширение тела за увеличение каждой его частицы. Проверка: различай расстояния между частицами и размеры частиц.

Ошибка: считать броуновское движение перемещением самих молекул. В опыте видна сравнительно крупная взвешенная частица, которую толкают молекулы жидкости или газа. Путаница возникает потому, что именно молекулярные столкновения вызывают наблюдаемое движение. Проверка: сравни размер броуновской частицы с размером молекул среды и раздели причину движения и движущийся объект.

Связь с другими темами

Для изучения МКТ нужны представления о строении вещества, агрегатных состояниях и температуре. Они понадобятся, чтобы объяснить давление газа, идеальный газ и уравнение состояния: в этих темах свойства газа связывают с движением частиц. Та же теория помогает понять испарение, плавление и кипение, а также способы передачи тепла. Поэтому положения МКТ служат связующим звеном между наблюдаемыми тепловыми явлениями и поведением частиц.

Что запомнить

• Вещество состоит из мельчайших частиц.
• Частицы вещества непрерывно и хаотически движутся.
• Частицы взаимодействуют друг с другом.
• Диффузия подтверждает движение молекул.
• Броуновское движение подтверждает существование молекул.
• При повышении температуры тепловое движение становится интенсивнее.
• Свойства тела определяются строением, движением и взаимодействием его частиц.