§ 10. Движение частиц вещества

Определения и обозначения

Частица вещества — мельчайшая часть вещества, сохраняющая его свойства. Например, очень маленькая часть воды всё ещё остаётся водой. Это понятие помогает объяснить, из чего состоят тела и почему вещества могут смешиваться.

Молекула — частица вещества, состоящая из связанных атомов. Атомы можно представить как маленькие частицы, соединённые друг с другом. Понятие молекулы нужно, чтобы описывать строение разных веществ.

Тепловое движение — непрерывное беспорядочное движение частиц вещества. Частицы меняют направление и скорость, сталкиваясь между собой. Этот термин помогает понять, почему даже неподвижное тело внутри себя не бывает совершенно неподвижным.

Диффузия — взаимное проникновение частиц одного вещества между частицами другого. Поэтому запахи распространяются, а вещества постепенно смешиваются сами. Диффузия показывает, что частицы движутся и между ними есть промежутки.

Как это устроено

Все вещества состоят из мельчайших частиц, хотя отдельные частицы обычно не видны. Причина в том, что их размеры очень малы, а человеческий глаз различает только более крупные объекты. Узнать о частицах можно по их действиям: по распространению запаха, растворению и другим явлениям, которые происходят постепенно.

В твёрдом теле частицы расположены близко и удерживаются около определённых мест, поэтому тело сохраняет форму. В жидкости частицы тоже находятся рядом, но могут перемещаться друг относительно друга, поэтому жидкость принимает форму сосуда. В газе частицы разделены большими промежутками и движутся свободнее, поэтому газ занимает весь доступный объём.

Частицы не остаются неподвижными, потому что внутри вещества постоянно происходят столкновения и передача энергии. В твёрдом теле движение проявляется как колебания около своего места, в жидкости и газе частицы перемещаются. Оно беспорядочное: невозможно заранее сказать, куда направится отдельная частица после столкновения.

Запах духов распространяется потому, что частицы пахучего вещества переходят в воздух и движутся между его частицами. Постепенно они достигают удалённых участков комнаты, хотя сам флакон остаётся на месте. Смешивание капель краски с водой или растворение соли происходит по той же причине: частицы одного вещества проникают между частицами другого.

При повышении температуры частицы обычно получают больше энергии и начинают двигаться быстрее. Быстрые частицы чаще сталкиваются и быстрее перемещаются по веществу. Поэтому диффузия и растворение обычно идут быстрее в тёплой воде, чем в холодной, хотя для разных веществ условия могут различаться.

Движение частиц в разных состояниях вещества

Сначала определите состояние вещества, а затем сравните расстояния между частицами и свободу их движения. Чем свободнее движутся частицы, тем заметнее обычно диффузия. Таблица помогает объяснить различия, но во всех трёх состояниях частицы движутся.

Разбор задач

Запах духов

Условие. Флакон духов открыли в одном конце комнаты. Через некоторое время запах почувствовали в другом конце. Нужно объяснить это явление.

1. Определим, какое вещество распространяется: частицы духов переходят в окружающий воздух.
2. Вспомним, что частицы газа движутся непрерывно и беспорядочно.
3. Свяжем наблюдение с диффузией: частицы духов проникают между частицами воздуха и постепенно достигают разных мест комнаты.

Ответ. Запах распространяется из-за беспорядочного движения частиц пахучего вещества в воздухе, то есть благодаря диффузии.

Растворение в холодной и горячей воде

Условие. В одинаковые стаканы положили по кристаллику вещества: один стакан наполнен холодной водой, другой — горячей. Нужно определить, где кристаллик растворится быстрее.

1. Сравним температуру воды: в горячем стакане она выше.
2. При более высокой температуре частицы воды и вещества обычно движутся быстрее.
3. Более частые столкновения ускоряют проникновение частиц воды между частицами кристаллика.

Ответ. Обычно кристаллик быстрее растворится в горячей воде. Вывод верен при прочих равных условиях: одинаковых объёме воды, размере кристалликов и перемешивании.

Два слоя жидкостей

Условие. В сосуд налили два слоя разных жидкостей. Сначала граница между ними заметна, но со временем она становится менее резкой, а жидкости постепенно смешиваются. Нужно назвать наблюдение, подтверждающее движение частиц, и объяснить результат.

1. Выделим признак: граница слоёв исчезает без обязательного перемешивания ложкой.
2. Предположим, что частицы каждой жидкости движутся и могут проходить в промежутки между частицами другой.
3. Назовём процесс диффузией: частицы распространяются из области, где их больше, в соседние области, пока смесь не станет более однородной.

Ответ. Постепенное исчезновение границы и равномерное смешивание подтверждают движение частиц и наличие промежутков между ними.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что частицы движутся только в газах. Так думают, потому что в газе движение заметнее, но в твёрдом теле частицы колеблются, а в жидкости перемещаются. Проверьте себя: вспомните, что нагревание твёрдого тела тоже связано с движением его частиц.

Ошибка: путать движение всего тела с тепловым движением его частиц. Мяч может лететь как единое целое, а его частицы одновременно движутся внутри него. Проверка проста: спросите, перемещается ли предмет целиком или описывается движение частиц внутри него.

Ошибка: объяснять диффузию только перемешиванием вещества. Диффузия происходит самопроизвольно благодаря движению частиц, даже если жидкость не размешивают. Проверьте себя: после смешивания объясните, как частицы проникали друг между другом.

Ошибка: утверждать, что при нагревании частицы становятся крупнее. Нагревание обычно увеличивает скорость их движения, а не размер. Чтобы проверить ответ, замените фразу о размере словами о большей энергии, скорости и частоте столкновений.

Связь с другими темами

До изучения движения частиц нужно знать три состояния вещества: твёрдое, жидкое и газообразное. Их свойства связаны с расположением и движением частиц. Это помогает сравнивать вещества и объяснять их поведение.

Позже тема пригодится при изучении температуры, нагревания и охлаждения тел. Изменение температуры связано с изменением энергии движения частиц. Поэтому нагревание и охлаждение можно объяснять не только наблюдением, но и строением вещества.

Представление о частицах помогает понять растворение, распространение запахов и процессы в живых организмах. В организмах вещества тоже перемещаются и смешиваются благодаря движению частиц. Такие знания связывают физические явления с химией и биологией.

Что запомнить

• Любое вещество состоит из мельчайших частиц.
• Между частицами существуют промежутки.
• Частицы вещества непрерывно и беспорядочно движутся.
• Движение частиц называют тепловым движением.
• Диффузия подтверждает движение частиц.
• При повышении температуры движение частиц обычно ускоряется.