Движение молекул в физике в газах, жидкостях и твёрдых телах с примерами

Содержание:

Движение молекул:

Почему запах духов распространяется по всей комнате? Могут ли «срастись» два кусочка металла? От чего зависит скорость движения атомов и молекул? На эти и другие вопросы вы сможете ответить, прочитав этот параграф.

Тепловое движение

В соответствии с современными представлениями, атомы и молекулы, из которых состоит вещество, находятся в беспрерывном хаотическом движении. Такое движение называется тепловым.

Тепловое движение невозможно увидеть невооруженным глазом, ведь размеры молекул очень малы.

Однако существует много физических явлений, объяснить которые можно только опираясь на тот факт, что молекулы постоянно двигаются.

Определение диффузии

Бесспорным доказательством движения молекул служит физическое явление, хорошо известное вам из курса природоведения,— диффузия (от лат. diffusio — распространение, растекание).

Напомним, что диффузией называют взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга, происходящее в результате теплового (хаотического) движения молекул (атомов).

Диффузия в газах и жидкостях

Вспомните, что происходит, если где-то в комнате разлить ароматное вещество, например духи,— его запах в скором времени будет ощущаться повсюду. Это значит, что молекулы ароматного вещества, двигаясь, попадают в промежутки между молекулами воздуха, которым заполнена комната, т. е. наблюдается диффузия. Именно в результате диффузии в газах мы ощущаем запах свежеиспеченного хлеба из булочной или запах прогретой солнцем травы.

Диффузию можно наблюдать и в жидкостях. Проведем такой опыт. В прозрачный сосуд с чистой водой с помощью воронки нальем раствор медного купороса так, чтобы жидкости не смешались (рис. 2.15). Сначала мы наблюдаем резкую границу между водой и раствором медного купороса. Оставив сосуд в покое на несколько дней, мы увидим, что вся жидкость в сосуде приобрела бирюзовый цвет (рис. 2.16). Причем перемешивание жидкостей произошло без вмешательства извне. Схематически процесс диффузии изображен на рис. 2.17. Многочисленные опыты свидетельствуют, что диффузия в жидкостях протекает значительно медленнее, чем в газах. Еще медленнее происходит диффузия в твердых телах. Почему? Ответ на этот вопрос следует искать в особенностях расположения молекул газов, жидкостей и твердых тел.
 

Как связаны скорость движения молекул и температура

Приготовим два сосуда, как показано на рис. 2.15. Один из сосудов поставим в теплое место, второй — в холодное. Посмотрев через некоторое время на сосуды, мы убедимся, что в теплом растворе диффузия произошла намного быстрее.

В случае повышения температуры скорость диффузии в газах также увеличивается.

Зависимость скорости диффузии от температуры особенно заметна для твердых тел. Так, английский металлург Вильям Роберт Остин провел следующий опыт. Он наплавил тонкий диск золота на свинцовый цилиндр (рис. 2.18, а) и на несколько дней поместил этот цилиндр в печь, где поддерживалась температура около 400 °С. Оказалось, что золото продиф-фундировало через весь цилиндр (рис. 2.18, б); тем временем при комнатной температуре диффузия практически не наблюдалась.

Таким образом, мы выяснили, что чем выше температура вещества, тем быстрее происходит диффузия, т. е. молекулы быстрее двигаются.

Довольно сложные эксперименты показывают, что при любой температуре в веществе есть молекулы, двигающиеся довольно медленно, и молекулы, скорость которых высока. Если количество молекул вещества, имеющих высокую скорость, увеличивается, т. е. увеличивается средняя скорость молекул, то это значит, что температура вещества также увеличивается.

Диффузия в природа и ее применение в технике

Явление диффузии очень распространено в природе. Благодаря диффузии углекислый газ попадает в листву растений; кислород из воздуха — на дно водохранилищ; питательные вещества впитываются в кишечнике; кислород из легких попадает в кровь, а из крови — в ткани и т. д.

Диффузию широко применяют в технике. Одним из примеров является диффузное сваривание металлов. Куски металлов крепко прижимают друг к другу, нагревают до высокой

температуры, но ниже температуры плавления. В месте соединения происходит диффузия, и куски металлов как будто срастаются.

Итоги:

Атомы и молекулы, из которых состоит вещество, находятся в беспрерывном хаотическом движении. Такое движение называется тепловым, поскольку увеличение температуры вещества соответствует увеличению средней скорости движения его молекул (атомов).

Одним из доказательств движения частиц вещества является физическое явление, которое называется диффузией. Диффузия — взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга, происходящее в результате теплового хаотического движения молекул (атомов).

Движение и взаимодействие молекул

«…Быстро пролетают в поле зрения микроскопа мельчайшие частички, почти мгновенно изменяя направление движения. Медленнее продвигаются более крупные, но и они постоянно изменяют направление движения. Самые большие частицы практически толкутся на месте . Нигде нет и следа системы или порядка...» Таким, по словам немецкого физика Роберта Пола (1884–1976), представляется наблюдателю броуновское движение — явление, которое объясняется движением молекул. Вспомним, как движутся молекулы, и факты, подтверждающие их взаимодействие.

Что такое броуновское движение

Броуновское движение — хаотическое движение видимых в микроскоп малых макрочастиц, взвешенных в жидкости или газе, которое происходит под действием ударов молекул.

Это явление названо в честь шотландского ботаника Роберта Броуна (1773–1858), который первым наблюдал его в 1827 г. Рассматривая в микроскоп взвешенные в воде частички пыльцы, Броун заметил, что они непрерывно движутся, постоянно изменяя скорость.

Причина броуновского движения — хаотическое движение молекул жидкости или газа. Двигаясь, молекулы среды непрерывно бомбардируют взвешенную в ней макрочастицу (рис. 27.1). Если суммарная сила ударов с одной стороны случайно окажется больше, чем с другой, то макрочастица может начать движение; потом другие толчки изменят ее скорость.

Теория броуновского движения, созданная А. Эйнштейном и польским физиком M. Смолуховским в 1905–1906 гг. и экспериментально подтвержденная французским физиком Ж. Перреном (рис. 27.2), окончательно закрепила победу атомистики.

• Заказать решение задач по физике

Что такое диффузия и где ее применяют

Непрерывное хаотическое движение молекул происходит внутри любого макроскопического тела. В курсе физики 7 класса вы изучали диффузию — еще одно явление, обусловленное таким движением (от лат. diffusio — распространение, растекание).

Диффузия — процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, происходящий вследствие теплового движения молекул.

Если в стакан с водой налить подкрашенный сахарный сироп, спустя некоторое время вода в стакане окрасится и станет сладкой (рис. 27.3, а).

Рис. 27.3. Диффузия в жидкостях и твердых телах. Вследствие теплового хаотического движения молекул сироп смешался с водой в течение суток (а), две отшлифованные и прижатые друг к другу пластины свинца и золота «срослись» на 1 мм в течение 5 лет (б)

Диффузия в жидкости происходит довольно медленно, а в твердых телах она медленнее в сотни и тысячи раз (рис. 27.3). В газах диффузия протекает гораздо быстрее, чем в жидкостях, но все равно: если бы не было конвекции, запах духов распространялся бы в комнате часами. Отметим, что в любых средах скорость диффузии увеличивается с повышением температуры и давления.

Диффузные процессы очень важны для получения и обработки некоторых материалов. Диффузия в твердых телах обеспечивает соединение металлов при сварке, пайке, никелировании. С помощью диффузии поверхностный слой металлических изделий насыщают углеродом, обеспечивая их прочность (рис. 27.4).

Рис. 27.4. Цементация — процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. если изготовить деталь из низкоуглеродистой стали, а затем поместить ее в высокотемпературную смесь, содержащую углерод, то благодаря диффузии поверхностный слой стали обогатится углеродом. Полученная деталь одновременно будет твердой (снаружи — крепкий чугун) и не будет разрушаться при ударных нагрузках (внутри — упругая сталь)

Разновидностью диффузии является осмос (от греч. osmos — толчок, давление) — процесс односторонней диффузии сквозь полупроницаемую перегородку (мембрану) молекул растворителя в сторону большей концентрации растворенного вещества. Например, если острым ножом отрезать дольку лимона, то сок практически не выделится; если посыпать дольку сахаром, то сок появится. Выделяясь из лимона, сок как бы стремится разбавить концентрированный раствор сахара, образовавшийся на срезе.

В природе благодаря осмосу питательные вещества и вода проникают из почвы в корни растений, из пищеварительного тракта — в организмы живых существ и непосредственно в клетки; кислород из легочных альвеол поступает в кровь и т. п. В промышленности осмос используют для очистки воды, производства напитков, получения некоторых полимеров.

Как быстро движутся молекулы

Молекулы в газах движутся очень быстро — со скоростью пули (см. таблицу), но далеко «улететь» не могут, поскольку ежесекундно испытывают более миллиарда столкновений с другими молекулами. Поэтому траектории движения молекул представляют собой сложные ломаные линии, подобные траектории движения броуновской частицы.

Обратите внимание! В веществе всегда есть молекулы, движущиеся медленно, и молекулы, скорость движения которых огромна. В результате столкновений скорости молекул непрерывно изменяются. Описать движение даже одной молекулы невозможно, да и не нужно. Важно знать, к какому результату приводит движение всей совокупности молекул данного объекта.

Как была измерена скорость движения молекул

Впервые скорость движения молекул измерил немецкий физик Отто Штерн (1888–1969) в 1920 г. Для опыта Штерн изготовил устройство (см. рис. 1), состоящее из двух жестко связанных пустых цилиндров, надетых на общую ось; стенка внутреннего цилиндра имела щель. Вдоль оси была натянута металлическая нить, покрытая слоем серебра. Воздух из цилиндров был откачан. Когда по нитке пропускали ток, серебро испарялось и внутренний цилиндр заполнялся атомами Аргентума, часть которых проходила сквозь щель и оседала на внутренней стенке внешнего цилиндра. В результате напротив щели образовывалась тонкая полоска серебра (А на рис. 2).

При вращении цилиндров полоска серебра становилась размытой и образовывалась не напротив щели, а на определенном расстоянии s от полоски А (полоска A’). Ведь пока атомы Аргентума проходили расстояние l (см. рис. 2), цилиндры поворачивались. Чем быстрее двигались атомы, тем ближе к полоске А они оседали.

Зная радиусы цилиндров, угловую скорость ω их вращения и измерив расстояние s, Штерн определил скорости v движения атомов Аргентума. Действительно, время движения атомов от щели до внешнего цилиндра равна . За это время точка на поверхности внешнего цилиндра проходит расстояние s, поэтому .

Таким образом, . Скорость движения атомов, измеренная Штерном, совпала со скоростью, рассчитанной теоретически.

Как и почему взаимодействуют молекулы

Убедиться в том, что молекулы притягиваются друг к другу, достаточно просто. Попробуйте, например, разорвать стальную проволоку или разломить кирпич — это будет сложно, хотя предметы состоят из отдельных частиц. Тот факт, что твердые тела и жидкости не распадаются на отдельные молекулы, превращаясь в газ, тоже говорит о том, что между молекулами существуют силы притяжения. Вместе с тем молекулы отталкиваются друг от друга. В этом легко убедиться, попробовав сжать ту же проволоку или тот же кирпич, — вряд ли вам это удастся.

МКТ утверждает: между молекулами одновременно существуют как силы притяжения, так и силы отталкивания. Основная причина наличия этих сил — электрическое притяжение и отталкивание заряженных частиц, образующих атом: положительно заряженное ядро одного атома притягивается к отрицательно заряженному электронному облаку другого атома; вместе с тем и ядра атомов отталкиваются друг от друга, и электронные облака. Если расстояние r между молекулами меньше размеров d самих молекул (r < d) , то преобладают силы отталкивания, поэтому молекулы отталкиваются друг от друга (рис. 27.5).

Рис. 27.5. Графики зависимости сил притяжения, сил отталкивания и силы межмолекулярного взаимодействия от расстояния r между молекулами. Сила межмолекулярного взаимодействия находится как алгебраическая сумма сил отталкивания и сил притяжения

По мере увеличения расстояния r убывают и силы притяжения, и силы отталкивания, но силы отталкивания убывают быстрее. При расстоянии r = d силы притяжения и силы отталкивания уравновешиваются. При дальнейшем увеличении расстояния между молекулами (r>d) начинают преобладать силы притяжения и молекулы притягиваются друг к другу. Таким образом, на расстоянии r=d молекулы находятся в состоянии устойчивого равновесия: при отклонениях молекулы от этого положения межмолекулярные силы стремятся вернуть ее в состояние равновесия.