Движение частиц вещества

Определения и обозначения

Частица вещества — мельчайшая часть вещества, из частиц которого оно состоит. Отдельную частицу обычно нельзя рассмотреть без специальных приборов. Это понятие помогает представить, что любое вещество, даже кажущееся сплошным, имеет внутреннее строение.

Молекула — частица вещества, сохраняющая его основные свойства. Она может состоять из ещё более мелких частиц, но в обычных наблюдениях удобно говорить именно о молекулах. Это понятие нужно, чтобы объяснять, как вещество сохраняет свои свойства, когда его частицы перемещаются и смешиваются.

Тепловое движение — непрерывное беспорядочное движение частиц вещества. Частицы не движутся строем в одном направлении: они перемещаются и сталкиваются друг с другом. Название напоминает, что скорость такого движения связана с температурой вещества.

Диффузия — самопроизвольное взаимное проникновение частиц разных веществ. Частицы одного вещества оказываются между частицами другого, и вещества постепенно перемешиваются. Это слово помогает назвать и объяснить распространение запаха в воздухе или красителя в воде.

Как это устроено

Вещество состоит из частиц, хотя снаружи мы часто видим цельный кусок, каплю или облако газа. Частицы настолько малы, что глаз не различает их по отдельности, а видит множество частиц вместе. Представить это можно как толпу людей издалека: отдельные лица не видны, но вся толпа заметна. Такая модель объясняет, почему внешне сплошное вещество может иметь частицы внутри.

Частицы движутся непрерывно и беспорядочно, даже если предмет лежит на столе и кажется неподвижным. Сам предмет не перемещается целиком, потому что его частицы не уходят все в одну сторону: они движутся по-разному и остаются рядом друг с другом. Движение происходит без того, чтобы кто-то специально размешивал или толкал вещество. Чем быстрее частицы движутся, тем активнее они сталкиваются и меняются местами с соседними частицами.

Из-за движения частицы постепенно распространяются и перемешиваются. Вначале частицы одного вещества могут быть собраны в одном месте, но затем они проникают в промежутки между частицами другого. Такой процесс называют диффузией. Он происходит сам собой, потому что частицы непрерывно движутся во всех направлениях, а не только туда, куда их направляет человек.

В газах и жидкостях частицы могут перемещаться относительно свободно, поэтому диффузию там обычно заметить легче. Запах со временем доходит до разных мест комнаты, а капля красителя без помешивания постепенно распространяется в воде. В твёрдом теле частицы тоже движутся, но удерживаются рядом друг с другом и не перемещаются так свободно. Поэтому диффузия в твёрдых телах идёт значительно медленнее.

При повышении температуры частицы обычно движутся быстрее. Они чаще и энергичнее сталкиваются, поэтому быстрее проникают между частицами другого вещества. Из-за этого краситель в тёплой воде обычно распространяется быстрее, чем в холодной. В холодной воде диффузия не прекращается: просто для заметного перемешивания нужно больше времени.

Движение частиц в разных состояниях вещества

Сравнивайте в таблице не только скорость движения, но и то, насколько свободно частицы могут перемещаться. Примеры показывают, как диффузия проявляется в обычных наблюдениях. Скорость процесса зависит также от температуры.

Разбор задач

Запах в комнате

Задача: в комнате открыли флакон с ароматным веществом. Почему через некоторое время запах чувствуется в разных местах? Нужно объяснить, как частицы вещества достигают удалённых уголков комнаты. Для этого проследим путь запаха по шагам.

1. Часть ароматного вещества оказывается в воздухе в виде частиц.
2. Частицы газа и ароматного вещества непрерывно движутся беспорядочно и сталкиваются друг с другом.
3. Постепенно частицы аромата перемешиваются с воздухом и распространяются по комнате.

Ответ: запах ощущается в разных местах, потому что частицы ароматного вещества движутся и перемешиваются с частицами воздуха. Запах не летит по комнате как отдельный предмет. Распространение происходит постепенно, поэтому вначале аромат может быть заметнее возле флакона.

Капля красителя в воде

Задача: в стакан осторожно добавили каплю красителя и не перемешивают воду. Нужно описать, что будет происходить. Сначала цвет заметен главным образом около капли, но частицы красителя уже движутся. Посмотрим, почему со временем изменится вид воды.

1. Частицы красителя начинают перемещаться среди частиц воды.
2. Из-за беспорядочного движения они постепенно попадают в разные части стакана.
3. Частицы красителя и воды перемешиваются, и окрашенная область становится шире.

Ответ: даже без перемешивания краситель постепенно распространится по воде благодаря диффузии. Вода будет окрашиваться всё более равномерно, хотя этот процесс занимает время. Если размешать воду, распределение красителя ускорится, но движение частиц происходит и без ложки.

Краситель в холодной и тёплой воде

Задача: в два стакана налили холодную и тёплую воду, затем добавили в каждый по капле красителя. Требуется определить, где окрашивание пойдёт быстрее. Сравним движение частиц в двух стаканах и свяжем его с перемешиванием. Важно, чтобы другие условия, например количество красителя, были одинаковыми.

1. Частицы воды и красителя движутся в обоих стаканах, поэтому диффузия происходит и там, и там.
2. В тёплой воде частицы обычно движутся быстрее, чем в холодной.
3. Быстро движущиеся частицы скорее перемешиваются и разносят краситель по воде.

Ответ: быстрее окрашивание пойдёт в стакане с тёплой водой. Причина не в том, что краситель исчезает или его кто-то перемешивает, а в более быстром движении частиц при более высокой температуре. В холодной воде процесс тоже идёт, но обычно медленнее.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что частицы движутся только при перемешивании вещества. Так можно подумать, потому что движение трудно заметить, если не размешивать воду или не перемещать сам предмет. Проверьте себя: вспомните, что запах и краситель постепенно распространяются и без ложки. Значит, частицы движутся постоянно.

Ошибка: думать, что запах летит по комнате как отдельный предмет. Кажется, будто запах переносится целиком, потому что мы ощущаем его в разных местах. На деле аромат связан с частицами вещества, которые смешиваются с воздухом. Проверьте объяснение вопросом: какие частицы добрались до носа? Это частицы ароматного вещества.

Ошибка: считать, что при диффузии частицы одного вещества полностью исчезают. Иногда цвет становится слабее в одном месте, и кажется, что краситель пропал. На самом деле частицы не уничтожаются, а распределяются среди частиц другого вещества. Проверьте себя: если вода окрасилась, значит, частицы красителя остались в ней.

Ошибка: утверждать, что в холодной воде диффузия невозможна. Вероятно, так думают, потому что в тёплой воде результат становится заметен быстрее. Но в холодной воде частицы тоже движутся, просто обычно медленнее. Проверьте себя: сравните не наличие процесса, а время, за которое краситель распределится.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в движении частиц, сначала нужно различать твёрдые, жидкие и газообразные вещества. Такое сравнение помогает понять, почему частицы в разных состояниях перемещаются неодинаково. Представления о частицах пригодятся при изучении строения вещества и различий между его состояниями. Диффузия помогает объяснять перемешивание веществ в природе и повседневной жизни: например, распространение запаха или окрашивание воды.

Что запомнить

• Вещества состоят из очень маленьких частиц.
• Частицы вещества непрерывно движутся.
• Движение частиц беспорядочно.
• Диффузия — взаимное проникновение частиц разных веществ.
• Диффузия происходит в газах, жидкостях и твёрдых телах.
• При повышении температуры диффузия обычно идёт быстрее.