Тепловое равновесие атомов и молекул. Тепловое движение: внутренняя энергия

 Теория: Атомы и молекулы находятся в непрерывном тепловом движении, движутся хаотически, постоянно из-за соударений меняют направление и модуль скорости.

Чем выше температура, тем выше скорость движения молекул. При понижении температуры уменьшается скорость движения молекул. Существует температура, которую называют "абсолютный ноль" - температура(-273 °С) при которой прекращается тепловое движение молекул. Но "абсолютный ноль" недостижим.
Броуновское движение - беспорядочное движение микроскопических видимых взвешенных в жидкости или газе частиц твёрдого вещества, вызываемое тепловым движением частиц жидкости или газа. Впервые это явление наблюдал в 1827 году Роберт Броун. Он исследовал пыльцу растений, которая находилась в водной среде. Броун заметил, что пыльца с течением времени все время смещается, и чем выше температура, тем быстрее скорость смещения пыльцы. Он предположил, что движение пыльцы связано с тем, что молекулы воды ударяются о пыльцу и заставляют ее двигаться.

Диффузия - процесс взаимного проникновения молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещеста.

Примером броуновского движения является
1) беспорядочное движение цветочной пыльцы в капельке воды
2) беспорядочное движение мошек под фонарём
3) растворение твёрдых веществ в жидкостях
4) проникновение питательных веществ из почвы в корни растений
Решение: из определения броуновского движения понятно, что правильный ответ 1. Пыльца беспорядочно движется по причине того, что молекулы воду ударяются об нее. Беспорядочное движение мошек под фонарём не подходит так как мошки сами выбирают направление движения, последние два ответа это примеры диффузии.
Ответ: 1.

Задание огэ по физике (решу егэ): Какое(-ие) из нижеприведённых утверждений являе(-ю)тся правильным(-и)?
А. Молекулы или атомы в веществе находятся в непрерывном тепловом движении, и одним из аргументов в пользу этого служит явление диффузии.
Б. Молекулы или атомы в веществе находятся в непрерывном тепловом движении, и доказательством этому служит явление конвекции.
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
Решение: Диффузия - процесс взаимного проникновения молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещеста. Первое утверждение верно, Конвенкция - перенос внутренней энергии со слоями жидкости или газа, получается что второе утверждение не верно.
Ответ: 1.

Задание огэ по физике (фипи): 2) Свинцовый шарик нагревают в пламени свечи. Как в процессе нагревания изменяется объём шарика и средняя скорость движения его молекул?
Установите соответствие между физическими величинами и их возможными изменениями.
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
1) увеличивается
2) уменьшается
3) не изменяется
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.
Решение (Спасибо Милене) : 2) 1.Объём шарика увеличится за счёт того, что молекулы начнут двигаться быстрее.
2. Скорость молекул при нагревании увеличится.
Ответ: 11.

Задание демонстрационного варианта ОГЭ 2019: Одно из положений молекулярно-кинетической теории строения вещества заключается в том, что «частицы вещества (молекулы, атомы, ионы) находятся в непрерывном хаотическом движении». Что означают слова «непрерывное движение»?
1) Частицы всё время движутся в определённом направлении.
2) Движение частиц вещества не подчиняется никаким законам.
3) Частицы все вместе движутся то в одном, то в другом направлении.
4) Движение молекул никогда не прекращается.
Решение: Молекулы движутся, из за соударений скорость молекул постоянно меняется, поэтому мы не можем высчитать скорость и направление каждой молекулы, но мы можем высчитать среднюю квадратичную скорость молекул, и она связана с температурой, при понижении температуры скорость молекул уменьшается. Посчитано, что температура при которой прекратится движение молекул равна -273 °С (минимальная возможная температура в природе). Но она не достижима. поэтому молекулы никогда не перестанут двигаться.

Как вы думаете, от чего зависит скорость растворения сахара в воде? Можете провести простой эксперимент. Возьмите два куска сахара и киньте один в стакан с кипятком, другой - в стакан с холодной водой.

Вы увидите, как сахар в кипятке растворится в несколько раз быстрее, чем в холодной воде. Причиной растворения является диффузия . Значит, диффузия происходит быстрее при более высокой температуре. А причина диффузии - это движение молекул. Следовательно, мы делаем вывод, что молекулы при более высокой температуре движутся быстрее. То есть, скорость их движения зависит от температуры. Именно поэтому беспорядочное хаотическое движение молекул, из которых состоят тела, называют тепловым движением.

Тепловое движение молекул

При повышении температуры усиливается тепловое движение молекул, меняются свойства вещества. Твердое тело тает, превращаясь в жидкость, жидкость испаряется, переходя в газообразное состояние. Соответственно, если температуру понижать, то будет уменьшаться и средняя энергия теплового движения молекул, а соответственно, процессы изменения агрегатного состояния тел будут происходить в обратном направлении: вода будет конденсироваться в жидкость, жидкость будет замерзать, переходя в твердое состояние. При этом, мы всегда говорим о средних значениях температуры и скорости молекул, так как всегда присутствуют частицы с большими и меньшими значениями этих величин.

Молекулы в веществах движутся, проходя определенное расстояние, следовательно, совершают некую работу. То есть, мы можем говорить о кинетической энергии частиц. Вследствие их взаимного расположения существует также и потенциальная энергия молекул. Когда идет речь о кинетической и потенциальной энергии тел, то мы говорим о существовании полной механической энергии тел. Если кинетической и потенциальной энергией обладают частицы тела, следовательно, можно говорить о сумме этих энергии, как о самостоятельной величине.

Внутренняя энергия тела

Рассмотрим пример. Если мы кидаем упругий мячик об пол, то кинетическая энергия его движения полностью переходит в потенциальную в момент касания пола, а потом вновь переходит в кинетическую, когда он отскакивает. Если же мы бросим тяжелый железный мячик на твердую неупругую поверхность, то мячик приземлится, не отскакивая. Его кинетическая и потенциальная энергии после приземления будут равны нулю. Куда же подевалась энергия? Она просто исчезла? Если мы изучим шарик и поверхность после столкновения, то увидим, что шарик немного сплющился, на поверхности осталась вмятина, и оба они слегка нагрелись. То есть произошло изменение в расположении молекул тел, а также увеличилась температура. Это означает, что изменились кинетическая и потенциальная энергия частиц тела. Энергия тела никуда не пропала , она перешла во внутреннюю энергию тела. Внутренней энергией называют кинетическую и потенциальную энергию всех частиц тела. Столкновение тел вызвало изменение внутренней энергии, она увеличилась, а механическая энергия уменьшилась. В этом и состоит

Атомы и молекулы, из которых состоят различные вещества, находятся в состоянии непрерывного теплового движения.

Первой особенностью теплового движения является его хаотичность; ни одно направление движения молекул не выделяется среди других направлений. Поясним это: если проследить за движением одной молекулы, то с течением времени вследствие столкновений с другими молекулами величина скорости и направление движения этой молекулы изменяются совершенно беспорядочно; далее, если в какой-нибудь момент времени зафиксировать скорости движения всех молекул, то по направлению эти скорости оказываются равномерно разбросанными в пространстве, а по величине - имеют самые разнообразные значения.

Второй особенностью теплового движения является существование обмена энергией между молекулами, а также между различными видами движения; энергия поступательного движения молекул может переходить в энергию их вращательного или колебательного движения и обратно.

Обмен энергией между молекулами, а также между различными видами их теплового движения происходит благодаря взаимодействию молекул (столкновениям между ними). На больших расстояниях силы взаимодействия между молекулами очень малы и ими можно пренебрегать; на малых расстояниях эти силы оказывают заметное действие. В газах молекулы большую часть времени пребывают на сравнительно больших расстояниях друг от друга; лишь в течение весьма малых промежутков времени, оказавшись достаточно близко друг к другу, они взаимодействуют между собой, изменяя скорости своих движений и обмениваясь энергиями. Такие кратковременные взаимодействия молекул называются столкновениями. Различают два вида столкновений между молекулами:

1) столкновения, или удары, первого рода, в результате которых изменяются только скорости и кинетические энергии соударяющихся частиц; состав или структура самих молекул не испытывают никаких изменений;

2) столкновения, или удары, второго рода, в результате которых происходят изменения внутри молекул, например изменяется их состав или относительное расположение атомов внутри этих молекул. При этих столкновениях часть кинетической энергии молекул затрачивается на совершение работы против сил, действующих внутри молекул. В некоторых случаях, наоборот, может выделиться некоторое количество энергии за счет уменьшения внутренней потенциальной энергии молекул.

В дальнейшем мы будем иметь в виду только столкновения первого рода, происходящие между молекулами газов. Обмен энергиями при тепловых движениях в твердых и жидких телах является более сложным процессом и рассматривается в специальных разделах физики. Столкновения второго рода используются для объяснения электропроводности газов и жидкостей, а также теплового излучения тел.

Для описания каждого вида теплового движения молекул (поступательного, вращательного или колебательного) необходимо задать ряд величин. Например, для поступательного движения молекулы необходимо знать величину и направление ее скорости. Для этой цели достаточно указать три величины: значение скорости и два угла и между направлением скорости и координатными плоскостями или же три проекции скорости на координатные оси: (рис. 11.1, а). Заметим, что эти три величины независимы: при данном углы и могут иметь любые значения и, наоборот, при заданном, например, угле значения и могут быть любыми. Точно так же задание определенного значения не накладывает никаких ограничений на значения наоборот. Таким образом, для описания поступательного движения молекулы в пространстве необходимо задать три независимые друг от друга величины: и или Энергия, поступательного движения молекулы будет состоять из трех независимых компонент:

Для описания вращательного движения молекулы вокруг своей оси необходимо указать величину и направление угловой скорости вращения , т. е. опять-таки три независимые друг от друга величины: и в или (рис. II. 1, б). Энергия вращательного движения молекулы также будет состоять из трех независимых компонент:

где моменты инерции молекулы относительно трех взаимно перпендикулярных координатных осей. У одноатомной молекулы все эти моменты инерции очень малы, поэтому энергией ее вращательного движения пренебрегают. У двухатомной молекулы (рис. II.1, в) пренебрегают энергией вращательного движения относительно оси, проходящей через центры атомов, поэтому, например,

Для описания колебательного движения атомов в молекуле необходимо сначала разделить это движение на простые колебания, происходящие вдоль определенных направлений. Сложное колебание удобно разложить на простые прямолинейные колебания, происходящие по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Эти колебания независимы друг от друга, т. е. частоте и амплитуде колебаний в одном из этих направлений могут соответствовать любая частота и амплитуда колебаний в других направлениях. Если каждое из этих прямолинейных колебаний гармоническое, то его можно описать при помощи формулы

Таким образом, для описания отдельного прямолинейного колебания атомов необходимо задать две величины: частоту колебания со и амплитуду колебания Эти две величины также независимы друг от друга: при данной частоте амплитуда колебания не связывается никакими условиями, и наоборот. Следовательно, для описания сложного колебательного движения молекулы вокруг точки (т. е. своего положения равновесия) необходимо задать шесть независимых друг от друга величин: три частоты и амплитуды колебании по трем взаимно перпендикулярным направлениям.

Независимые друг от друга величины, определяющие состояние данной физической системы, называются степенями свободы этой системы. При изучении теплового движения в телах (для расчета энергии этого движения) определяют число степеней свободы каждой молекулы этого тела. При этом подсчитываются только те степени свободы, между которыми происходит обмен энергиями. Молекула одноатомного газа обладает тремя степенями свободы поступательного движения; двухатомная молекула имеет три степени свободы поступательного и две степени свободы вращательного движения (третья степень свободы, соответствующая вращению вокруг оси, проходящей через центры атомов, не учитывается). Молекулы, содержащие три

атома и больше, обладают тремя поступательными и тремя вращательными степенями свободы. Если в обмене энергиями участвует и колебательное движение, то на каждое независимое прямолинейное колебание добавляют две степени свободы.

Рассматривая раздельно поступательное, вращательное и колебательное движения молекул, можно найти среднюю энергию, которая приходится на каждую степень свободы этих видов движения. Рассмотрим сначала поступательное движение молекул: допустим, молекула обладает кинетической энергией масса молекулы). Сумма есть энергия поступательного движения всех молекул. Разделив на степеней свободы, получим среднюю энергию, приходящуюся на одну степень свободы поступательного движения молекул:

Так же можно рассчитать средние энергии, приходящиеся на одну степень свободы вращательного евращ и колебательного еколеб движений. Если каждая молекула обладает степенями свободы поступательного, степенями свободы вращательного и степенями свободы колебательного движений, то полная энергия теплового движения всех молекул будет равна

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.

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:

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.