Тепловое движение молекул. Тепловое движение: внутренняя энергия
В окружающем нас мире происходят различного рода физические явления, которые напрямую связанны с изменением температуры тел . Еще с детства мы знаем, что холодная вода при нагревании сначала становится едва теплой и лишь спустя определенное время горячей.
Такими словами как «холодный», «горячий», «теплый», мы определяем различную степень «нагретости» тел, или, если говорить языком физики на различную температуру тел. Температура теплой воды немного выше температуры прохладной воды. Если сравнивать температуру летнего и зимнего воздуха, то разница в температуре очевидна.
Температура тел измеряется с помощью термометра и выражается в градусах Цельсия (°C).
Как известно, диффузия при более высокой температуре происходит быстрее. Из этого следует, что скорость перемещения молекул и температура глубоко взаимосвязаны между собой. Если увеличить температуру, то скорость движения молекул увеличится, если уменьшить – понизится.
Таким образом, делаем вывод: температура тела напрямую зависит от скорости перемещения молекул.
Горячая вода состоит из абсолютно таких же молекул, как и холодная. Разница между ними состоит лишь в скорости передвижения молекул.
Явления, которые имеют отношение к нагреву или охлаждению тел, изменению температуры, получили название тепловые. К ним можно отнести нагревание или охлаждение воздуха, плавку метала, таяние снега.
Молекулы, либо атомы, которые являются основой всех тел, находятся в бесконечном хаотичном движении. Количество подобных молекул и атомов в окружающих нас телах огромно. В объеме равном 1 см³ воды, содержится приблизительно 3,34 · 10²² молекул. Любая молекула имеет очень сложную траекторию движения. К примеру, частицы газа, передвигающиеся с большими скоростями в различных направлениях, могут сталкиваться как друг c другом, так и со стенками сосуда. Таким образом, они меняют свою скорость и опять продолжают движение.
Рисунок №1 демонстрирует беспорядочное движение частиц краски, растворенных в воде.
Таким образом, делаем еще один вывод: хаотичное движение частиц, которые составляют тела, называют тепловым движением.
Хаотичность является важнейшей чертой теплового движения. Одним из самых главных доказательств движения молекул является диффузия и Броуновское движение. (Броуновское движение – движение мельчайших твердых частиц в жидкости под воздействием ударов молекул. Как показывает наблюдение, Броуновское движение не может прекратиться).
В жидкостях молекулы могут колебаться, вращаться и двигаться относительно других молекул. Если брать твердые тела, то в них молекулы и атомы колеблются около некоторых средних положениях.
В тепловом движении молекул и атомов участвуют абсолютно все молекулы тела, именно поэтому с изменением теплового движения меняется и состояние самого тела, его различные свойства. Таким образом, если повысить температуру льда то он начинает таять, принимая при этом уже абсолютно другую форму – лед становится жидкостью. Если же наоборот, понижать температуру, к примеру, ртути, то она изменит свои свойства и из жидкости, превратится в твердое тело.
Т
емпература тела напрямую зависит от средней кинетической энергии молекул. Делаем очевидный вывод: чем выше температура тела, тем больше средняя кинетическая энергия его молекул. И, наоборот, при понижении температуры тела, средняя кинетическая энергия его молекул уменьшается.
Если у вас остались вопросы, или вы хотите узнать больше о тепловом движении и температуре, зарегистрируйтесь на нашем сайте и получите помощь репетитора.
Остались вопросы? Не знаете, как сделать домашнее задание?
Чтобы получить помощь репетитора – зарегистрируйтесь .
Первый урок – бесплатно!
сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.
Все молекулы любого вещества непрерывно и беспорядочно (хаотически) движутся.
Движение молекул в разных телах происходит по-разному.
Молекулы газов беспорядочно движутся с большими скоростями (сотни м/с) по всему объему газа. Сталкиваясь, они отскакивают друг от друга, изменяя величину и направление скоростей.
Молекулы жидкости колеблются около равновесных положений (т.к. расположены почти вплотную друг к другу) и сравнительно редко перескакивают из одного равновесного положения в другое. Движение молекул в жидкостях является менее свободным, чем в газах, но более свободным, чем в твердых телах.
В твердых телах частицы колеблются около положения равновесия.
С ростом температуры скорость частиц увеличивается, поэтому хаотическое движение частиц принято называть тепловым.
БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ
Доказательство теплового движения молекул.
Броуновское движение было открыто английским ботаником Робертом Броуном (1773-1858гг.)
Если распылить на поверхности жидкости мельчайшие крупинки какого-либо вещества,
то они будут непрерывно двигаться.
Эти броуновские частицы движутся под влиянием ударов молекул жидкости. Т.к. тепловое движение молекул - это непрерывное и беспорядочное движение, то и скорость движения броуновских частиц будет беспорядочно меняться по величине и направлению.
Броуновское движение вечное и никогда не прекращается.
ЗАГЛЯНИ НА КНИЖНУЮ ПОЛКУ!
ДОМАШНЯЯ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
1. Возьмите три стакана. В первый налейте кипяток, во второй теплую и в третий холодную воду.
В каждый стакан бросить щепотку гранулированного чая. Что вы заметили?.
2. Возьмите пустую пластиковую бутылку, предварительно охладив ее, опустите горлышко в стакан с водой и обхватите бутылку ладонями, но не нажимайте. Наблюдайте в течение нескольких минут.
3. На горлышко той же, но вновь охлажденной бутылки положите смоченную в воде перевернутую пробку и таккже обхватите ее теплыми ладонями. Наблюдайте в течение нескольких минут.
4. Налейте в неглубокую тарелку воды на высоту 1 - 1,5 см, поставьте в нее перевернутый вверх дном и предварительно нагретый горячей водой стакан. Наблюдайте в течение нескольких минут.
Жду отчет с объяснениями увиденного. Кто первый?
ТЕМПЕРАТУРА
Величина, которая характеризует тепловое состояние тела или иначе мера «нагретости» тела.
Чем выше температура тела, тем большую в среднем энергию имеют его атомы и молекулы.
Приборы, служащие для измерения температуры называются термометрами.
Принцип измерения температуры.
Температура непосредственно не измеряется! Измеряется величина, зависящая от температуры!
В современных жидкостных термометрах - это объем спирта или ртути (в термоскопе Галилея – объем газа). Термометр измеряет собственную температуру! А, если мы хотим измерить с помощью термометра температуру какого-либо другого тела, надо подождать некоторое время, пока температуры тела и термометра уравняются, т.е. наступит тепловое равновесие между термометром и телом.
В этом состоит закон теплового равновесия:
у любой группы изолированных тел через какое-то время температуры становятся одинаковыми,
т.е. наступает состояние теплового равновесия
... 
ПРОВЕДИ ДОМАШНИЙ ОПЫТ
Возьмите три тазика с водой: один - с очень горячей, другой - с умеренно теплой, а третий - с очень холодной. Теперь ненадолго опустите левую руку в тазик с горячей водой, а правую - с холодной. Через пару минут извлеките руки из горячей и холодной воды и опустите их в тазик с теплой водой. Теперь спросите каждую руку, что она "скажет" вам о температуре воды?
ТЕРМОМЕТР - СДЕЛАЙ САМ
Возьми маленький стеклянный пузырек (в таких пузырьках в аптеках продают, например, зеленку), пробку (лучше резиновую) и тоненькую прозрачную трубочку (можно взять пустой прозрачный стерженек от шариковой ручки).
Проделай отверстие в пробке и закрой пузырек. Набери в трубочку капельку подкрашенной воды и вставь стержень в пробку. Хорошенько загерметизируй щель между пробкой и стержнем.
Термометр готов.
Теперь необходимо отградуировать его, т.е. сделать измерительную шкалу.
Понятно, что при нагревании воздуха в пузырьке он будет расширяться, и капелька жидкости будет подниматься по трубочке вверх. Твоя задача отметить на стерженьке или прикрепленной к нему картонке деления, соответствующие разным температурам.
Для градуировки можно взять еще один готовый термометр и опустить оба термометра в стакан с теплой водой. Показания термометров должны совпадать. Поэтому, если готовый термометр показывает температуру, например, 40 градусов, можете смело ставить отметинку 40 на стерженьке своего термометра в том месте, где находится капелька жидкости. Вода в стакане будет остывать, и ты сможешь таким образом разметить измерительную шкалу.
Можно сделать термометр, полностью заполнив его жидкостью.
А можно и иначе:
Проделай в крышке пластиковой бутылки отверстие и вставь тонкую пластиковую трубочку.
Бутылку частично заполни водой и закрепи на стене. У свободного конца трубочки разметь температурную шкалу. Отградуировать шкалу можно с помощью обычного комнатного термометра.
При изменении температуры в комнате вода будет расширяться или сжиматься, и уровень воды в трубочке тоже «поползет» по шкале.
А можно и посмотреть, как работает термометр!
Обхвати бутылку руками и погрей ее.
Что произошло с уровнем воды в трубочке?
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ
Шкала Цельсия - введена шведским физиком А. Цельсием в 1742 году. Обозначение: C. На шкале есть как положительные, так и отрицательные температуры. Опорные точки: 0C – температура таяния льда, 100C – температура кипения воды.
Шкала Фаренгейта - введена Фаренгейтом, стеклодувом из Голландии, в 1724 году. Обозначение: F. На шкале есть как положительные, так и отрицательные температуры. Опорные точки: 32F – температура таяния льда, 212F – температура кипения воды.
Шкала Реомюра - введена французским физиком Реомюром в 1726 году. Обозначение: R. На шкале есть как положительные, так и отрицательные температуры. Опорные точки: 0R – температура таяния льда, 80R – температура кипения воды.
Шкала Кельвина - введена английским физиком Томсоном (лордом Кельвином) в 1848 году. Обозначение: К. На шкале есть только положительные температуры. Опорные точки: 0K – абсолютный нуль, 273К – температура таяния льда. Т = t + 273
ТЕРМОСКОП
Впервые прибор для определения температуры был изобретен Галилеем в 1592 г. Небольшой стеклянный баллон был припаян к тонкой трубке с открытым концом.
Баллон нагревали руками и погружали конец трубки в сосуд с водой. Баллон охлаждался до температуры окружающего воздуха и уровень воды в трубке поднимался. Т.е. по изменению объема газа в сосуде можно было судить об изменении температуры. Здесь еще не было числовой шкалы, поэтому такой прибор назывался термоскопом. Измерительная шкала появилась только через 150 лет!
ЗНАЕШЬ ЛИ ТЫ
Самая высокая температура на Земле зарегистрированная в Ливии в 1922 году - +57,80С;
самая низкая температура, зарегистрированная на Земле, - –89,20С;
над головой у человека температура выше температуры окружающей среды на 1 – 1,50С; средняя температура животных: лошади - 380С, овцы - 400С, курицы - 410С,
температурав центре Земли - 200000С;
температура на поверхности Солнца - 6000 К, в центре - 20 млн. град.
А какова температура недр Земли?
Раньше высказывались различные гипотетические предположения и приводились расчеты, по которым температура на глубине 15 км получалась 100...400°C. Теперь Кольская сверхглубокая скважина,
которая прошла отметку 12 км, дала точный ответ на поставленный вопрос. Вначале (до 3 км) температура росла на 1° через каждые 100 м проходки, далее этот рост составил 2,5° на каждые новые 100 м. На глубине 10 км температура недр Земли оказалась равной 180°C!
Наука и жизнь
К концу 18 века число изобретенных температурных шкал достигало двух десятков.
Итальянские ученые-полярники, совершив экспедицию в Антарктиду, столкнулись с удивительной загадкой. Близ залива Инглей они открыли ледяное ущелье, где постоянно дует сверхскоростной и сверххолодный ветер. Поток воздуха температурой минус 90 градусов мчится со скоростью 200 км в час. Неудивительно, что это ущелье назвали «вратами ада» – никто не может находиться там без риска для жизни больше одной минуты: ветер несет частицы льда с такой силой, что мигом рвет одежду в клочья.
ПОЛОМАЕМ ГОЛОВУ?
КАВЕРЗНЫЕ ЗАДАЧИ
1. Как измерить температуру тела муравья с помощью обычного термометра?
2. Существуют термометры, в которых используют воду. Почему такие водяные термометры неудобны для измерения температур, близких к температуре замерзания воды?
Жду ответа (на уроке или по почте)!
А ЭТО ТЫ ЗНАЕШЬ?
На самом деле шведский астроном и физик Цельсий предложил шкалу, в которой точка кипения воды была обозначена числом 0, а точка таяния льда числом 100 ! "Зато зимой не будет отрицательных чисел!" -любил говорить Цельсий. Но потом шкалу "перевернули".
· Температура -40 градусов по Цельсию точно равна температуре -40 градусов по Фаренгейту. Это единственная температура, в которой две этих шкалы сходятся.
Одно время в физических лабораториях пользовались для измерения температуры так называемым весовым термометром. Он состоял из полого платинового шара, заполненного ртутью, в котором было капиллярное отверстие. Об изменении термпературы судили по количеству ртути, вытекавшей из отверстия.
Оказывается существует плоский термометр. Это "бумажка", которую накладывают на лоб больного. При высокой температуре "бумажка" становится красного цвета.
Наши ощущения, обычно надежные, могут подвести при определении температуры Например, известен опыт, когда одну руку опускают в горячую, а другую - в холодную воду. Если через некоторое время опустить обе руки в теплую воду, то рука, которая до этого была в горячей воде, почувствует холод, а рука, бывшая в холодной воде - жар!
Понятие температуры неприменимо к отдельной молекуле. О температуре можно говорить лишь в том случае, если имеется достаточно большая совокупность частиц.
Чаще всего физики измеряют температуру по шкале Кельвина: 0 градусов по шкале Цельсия = 273 градусам по шкале Кельвина!
Самая высокая температура.
Она получена в центре взрыва термоядерной бомбы – около 300...400 млн°C. Максимальная температура, достигнутая в ходе управляемой термоядерной реакции на испытательной термоядерной установке ТОКАМАК в Принстонской лаборатории физики плазмы, США, в июне 1986 г., составляет 200 млн°C.
Самая низкая температура.
Абсолютный нуль по шкале Кельвина (0 K) соответствует –273,15° по шкале Цельсия или –459,67° по шкале Фаренгейта. Самая низкая температура, 2·10–9 K (двухбиллионная часть градуса) выше абсолютного нуля, была достигнута в двухступенчатом криостате ядерного размагничивания в Лаборатории низких температур Хельсинкского технологического университета, Финляндия, группой учёных под руководством профессора Олли Лоунасмаа (род. в 1930 г.), о чём было объявлено в октябре 1989 г.
Самый миниатюрный термометр.
Д-р Фредерик Сакс, биофизик из Государственного университета штата Нью-Йорк, Буффало, США, сконструировал микротермометр для измерения температуры отдельных живых клеток. Диаметр наконечника термометра – 1 микрон, т.е. 1/50 часть диаметра человеческого волоса.
События физического мира неотрывно связаны с изменениями температуры. С ней каждый человек знакомится в раннем детстве, когда понимает, что лед холодный, а кипяток обжигает. В то же время приходит понимание, что процессы изменения температуры не происходят мгновенно. Уже потом в школе ученик изучает, что связано это с тепловым движением. И процессам, связанным с температурой, выделен целый раздел физики.
Что такое температура?
Это научное понятие введено для замены обыденных терминов. В повседневной жизни постоянно фигурируют такие слова, как горячий, холодный или теплый. Все они говорят о степени нагретости тела. Именно так она определяется в физике, только с добавлением, что это скалярная величина. Ведь температура не имеет направления, а только числовое значение.
В международной системе единиц (СИ) температура измеряется в градусах Цельсия (ºС). Но во многих формулах, описывающих тепловые явления, требуется переводить ее в Кельвины (К). Для этого существует простая формула: Т = t + 273. В ней Т — температура в Кельвинах, а t — в Цельсиях. Со шкалой Кельвина связано понятие об абсолютном нуле температур.
Существует еще несколько шкал температур. В Европе и Америке, например, в ходу Фаренгейты (Ф). Поэтому их необходимо уметь записывать в Цельсиях. Для этого из показаний в Ф полагается вычесть 32, потом разделить его на 1,8.
Домашний эксперимент
В его объяснении требуется знать такие понятия, как температура, тепловое движение. Да и выполнить этот опыт просто.
Для него потребуется взять три емкости. Они должны быть достаточно большими, чтобы в них легко могли поместиться кисти рук. Наполнить их водой разной температуры. В первом она должна быть очень холодной. Во втором — подогретая. В третий налить горячую воду, такую, в которой руку будет возможно держать.
Теперь сам опыт. Опустить левую руку в емкость с холодной водой, правую — с самой горячей. Подождать пару минут. Вынуть их и сразу погрузить в сосуд с теплой водой.
Результат окажется неожиданным. Левой руке будет казаться, что вода теплая, у правой возникнет ощущение холодной воды. Это связано с тем, что вначале устанавливается тепловое равновесие с теми жидкостями, в которые руки погружены изначально. А потом это равновесие резко нарушается.
Основные положения молекулярно-кинетической теории
Она описывает все тепловые явления. А утверждения эти достаточно просты. Поэтому в разговоре о тепловом движении эти положения знать необходимо.
Первое: вещества образованы мельчайшими частицами, расположенными на некотором удалении друг от друга. Причем этими частицами могут оказаться как молекулы, так и атомы. А расстояние между ними во много раз больше размеров частиц.
Второе: во всех веществах наблюдается тепловое движение молекул, которое никогда не прекращается. Частицы при этом двигаются беспорядочно (хаотично).
Третье: частицы взаимодействуют между собой. Это действие обусловлено силами притяжения и отталкивания. Их величина зависит от расстояния между частицами.
Подтверждение первого положения МКТ
Доказательством того, что тела состоят из частиц, между которыми есть промежутки, служит их Так, при нагревании тела его размер увеличивается. Происходит это из-за удаления частиц друг от друга.
Другим подтверждением сказанному является диффузия. То есть проникновение молекул одного вещества между частицами другого. Причем это перемещение оказывается взаимным. Диффузия проходит тем быстрее, чем дальше друг от друга расположены молекулы. Поэтому в газах взаимное проникновение произойдет гораздо быстрее, чем в жидкостях. А в твердых телах на диффузию требуются года.
Кстати, последний процесс объясняет и тепловое движение. Ведь взаимное проникновение веществ друг в друга происходит без какого-либо вмешательства со стороны. Но его можно ускорить, если нагреть тело.
Подтверждение второго положения МКТ
Яркое доказательство того, что существует тепловое движение — это броуновское движение частиц. Оно рассматривается для взвешенных частиц, то есть для тех, которые существенно больше молекул вещества. Этими частицами могут быть пылинки или крупинки. А помещать их полагается в воду или газ.
Причина беспорядочного движения взвешенной частицы в том, что со всех сторон на нее действуют молекулы. Их действие беспорядочно. Величина воздействий в каждый момент времени разная. Поэтому результирующая сила направлена то в одну, то в другую сторону.
Если говорить о скорости теплового движения молекул, то для нее есть особое название — средняя квадратичная. Ее можно вычислить по формуле:
v = √[(3kT)/m 0 ].
В ней Т — температура в Кельвинах, m 0 — масса одной молекулы, k — постоянная Больцмана (k=1,38*10 -23 Дж/К).
Подтверждение третьего положения МКТ
Частицы притягиваются и отталкиваются. В объяснении многих процессов, связанных с тепловым движением, это знание оказывается важным.
Ведь силы взаимодействия зависят от агрегатного состояния вещества. Так, у газов их практически нет, так как частицы удалены так сильно, что их действие не проявляется. В жидкостях и твердых телах они ощутимы и обеспечивают сохранение объема вещества. В последних они гарантируют еще и поддержание формы.
Доказательством существования сил притяжения и отталкивания является появление сил упругости при деформации тел. Так, при удлинении усиливаются силы притяжения между молекулами, а при сжатии — отталкивания. Но в обоих случаях они возвращают телу первоначальную форму.
Средняя энергия теплового движения
(pV)/N = (2E)/3.
В этой формуле p — давление, V — объем, N — число молекул, E — средняя кинетическая энергия.
С другой стороны, это уравнение можно записать так:
Если их объединить, то получится следующее равенство:
Из него следует такая формула для средней кинетической энергии молекул:
Отсюда видно, что энергия пропорциональна температуре вещества. То есть при повышении последней частицы двигаются быстрее. В этом и заключается суть теплового движения, которое существует, пока есть температура, отличная от абсолютного нуля.
Тепловое движение
Любое вещество состоит из мельчайших частиц - молекул. Молекула - это наименьшая частица данного вещества, сохраняющая все его химические свойства. Молекулы расположены в пространстве дискретно, т. е. на некоторых расстояниях друг от друга, и находятся в состоянии непрерывного беспорядочного (хаотичного) движения .
Поскольку тела состоят из большого числа молекул и движение молекул беспорядочно, то нельзя точно сказать, сколько ударов будет испытывать та или иная молекула со стороны других. Поэтому говорят, что положение молекулы, её скорость в каждый момент времени случайны. Однако это не означает, что движение молекул не подчиняется определённым законам. В частности, хотя скорости молекул в некоторый момент времени различны, у большинства из них значения скорости близки к некоторому определённому значению. Обычно, говоря о скорости движения молекул, имеют в виду среднюю скорость (v$cp ).
Нельзя выделить какое-то определённое направление, в котором движутся все молекулы. Движение молекул никогда не прекращается. Можно сказать, что оно непрерывно. Такое непрерывное хаотическое движение атомов и молекул называют — . Такое название определяется тем, что скорость движения молекул зависит от температуры тела. Чем больше средняя скорость движения молекул тела, тем выше его температура. И наоборот, чем выше температура тела, тем больше средняя скорость движения молекул.
Движение молекул жидкости было обнаружено при наблюдении броуновского движения - движения взвешенных в ней очень мелких частиц твердого вещества. Каждая частица беспрерывно совершает скачкообразные перемещения в произвольных направлениях, описывая траектории в виде ломаной линии. Такое поведение частиц можно объяснить, считая, что они испытывают удары молекул жидкости одновременно с разных сторон. Различие в числе этих ударов с противоположных направлений приводит к движению частицы, поскольку ее масса соизмерима с массами самих молекул. Движение таких частиц впервые обнаружил в 1827 г. английский ботаник Броун, наблюдая под микроскопом частицы цветочной пыльцы в воде, почему оно и было названо — броуновское движение .
Темы кодификатора ЕГЭ: тепловое движение атомов и молекул вещества, броуновское движение, диффузия, взаимодействие частиц вещества, экспериментальные доказательства атомистической теории.
Великому американскому физику Ричарду Фейнману, автору знаменитого курса "Фейнмановские лекции по физике", принадлежат замечательные слова:
|
– Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что - это атомная гипотеза (можете называть ее не гипотезой, а фактом, но это ничего не меняет): все тела состоят из атомов маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому . В одной этой фразе... содержится невероятное количество информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть соображения. |
В этих словах заключена суть молекулярно-кинетической теории (МКТ) строения вещества. А именно, основными положениями МКТ являются следующие три утверждения.
1. Любое вещество состоит из мельчайших частиц молекул и атомов. Они расположены в пространстве дискретно, то есть на некоторых расстояниях друг от друга.
2. Атомы или молекулы вещества находятся в состоянии беспорядочного движения(это движение называется тепловым движением), которое никогда не прекращается.
3. Атомы или молекулы вещества взаимодействуют друг с другом силами притяжения и отталкивания, которые зависят от расстояний между частицами.
Эти положения являются обобщением многочисленных наблюдений и экпериментальных фактов. Давайте рассмотрим подробнее эти положения и приведём их опытное обоснование.
Например, - это молекула воды, состоящая из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Разделив её на атомы, мы перестанем иметь дело в веществом под названием "вода". Далее, разделив атомы и на составные части, мы получим набор протонов, нейтронов и электронов и тем самым потеряем информацию о том, что поначалу это были водород и кислород.
Атомы и молекулы называются для краткости просто частицами вещества. Чем именно является частица - атомом или молекулой - в каждом конкретном случае установить нетрудно. Если речь идёт о химическом элементе, то частицей будет атом; если же рассматривается сложное вещество, то его частица - это молекула, состоящая из нескольких атомов.
Далее, первое положение МКТ утверждает, что частицы вещества не заполняют пространство непрерывно. Частицы расположены дискретно , то есть как бы в отдельных точках. Между частицами имеются промежутки, величина которых может меняться в некоторых пределах.
В пользу первого положения МКТ свидетельствует явление теплового расширения тел. А именно, при нагревании увеличиваются расстояния между частицами вещества, и размеры тела возрастают. При охлаждении, наоборот, расстояния между частицами уменьшаются, в результате чего тело сжимается.
Ярким подтверждением первого положения МКТ служит также диффузия - взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга.
Например, на рис. 1 показан процесс диффузии в жидкости. Частицы растворимого вещества помещены в стакан с водой и расположены вначале в верхней левой части стакана. С течением времени частицы перемещаются (как говорят, диффундируют ) из области высокой концентрации в область низкой концентрации. В конце концов концентрация частиц становится везде одинаковой - частицы равномерно распределяются по всему объёму жидкости.
Рис. 1. Диффузия в жидкости
Как объяснить диффузию с точки зрения молекулярно-кинетической теории? Очень просто: частицы одного вещества проникают в промежутки между частицами другого вещества. Диффузия идёт тем быстрее, чем больше эти промежутки - поэтому легче всего смешиваются друг с другом газы (в которых расстояния между частицами много больше размеров самих частиц).
Тепловое движение атомов и молекул
Напомним ещё раз формулировку второго положения МКТ: частицы вещества совершают беспорядочное движение (называемое также тепловым движением), которое никогда не прекращается.
Опытным подтверждением второго положения МКТ служит опять-таки явление диффузии ведь взаимное проникновение частиц возможно лишь при их беспрерывном движении! Но наиболее ярким доказательством вечного хаотического движения частиц вещества является броуновское движение . Так называется непрерывное беспорядочное движение броуновских частиц - пылинок или крупинок (размерами см), взвешенных в жидкости или газе.
Броуновское движение получило своё название в честь шотландского ботаника Роберта Броуна, увидевшего в микроскоп беспрерывную пляску взвешенных в воде частиц цветочной пыльцы. В доказательство того, что это движение совершается вечно, Броун нашёл кусок кварца с полостью, заполненной водой. Несмотря на то, что вода попала туда много миллионов лет назад, оказавшиеся там соринки продолжали своё движение, которое ничем не отличалось от того, что наблюдалось в других опытах.
Причина броуновского движения заключается в том, что взвешенная частица испытывает нескомпенсированные удары со стороны молекул жидкости (газа), причём в силу хаотичности движения молекул величина и направление результирующего воздействия абсолютно непредсказуемы. Поэтому броуновская частица описывает сложные зигзагообразные траектории (рис. 2 ).
Рис. 2. Броуновское движение
Кстати говоря, броуновское движение может рассматриваться и как доказательство самого факта существования молекул, т. е. также может служить опытным обоснованием первого положения МКТ.
Взаимодействие частиц вещества
Третье положение МКТ говорит о взаимодействии частиц вещества: атомы или молекулы взаимодействуют друг с другом силами притяжения и отталкивания, которые зависят от расстояний между частицами: при увеличении расстояний начинают преобладать силы притяжения, при уменьшении - силы отталкивания.
О справедливости третьего положения МКТ свидетельствуют силы упругости, возникающие при деформациях тел. При растяжении тела увеличиваются расстояния между его частицами, и начинают преобладать силы притяжения частиц друг к другу. При сжатии тела расстояния между частицами уменьшаются, и в результате преобладают силы отталкивания. В обоих случаях упругая сила направлена в сторону, противоположную деформации.
Другим подтверждением существования сил межмолекулярного взаимодействия служит наличие трёх агрегатных состояний вещества.
В газах молекулы удалены друг от друга на расстояния, значительно превышающие размеры самих молекул (в воздухе при нормальных условиях - примерно в 1000 раз). На таких расстояниях силы взаимодействия между молекулами практически отсутствуют, поэтому газы занимают весь предоставленный им объём и легко сжимаются.
В жидкостях промежутки между молекулами сравнимы с размерами молекул. Силы молекулярного притяжения весьма ощутимы и обеспечивают сохранение жидкостями объёма. Но для сохранения жидкостями ещё и формы эти силы недостаточно велики - жидкости, как и газы, принимают форму сосуда.
В твёрдых телах силы притяжения между частицами очень велики: твёрдые тела сохраняют не только объём, но и форму.
Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое является результатом изменения величины сил взаимодействия между частицами вещества. Сами частицы остаются при этом неизменными.
