Что можно сказать о скорости движения молекул

Тепловое движение атомов и молекул. Связь температуры вещества со скоростью хаотического движения частиц. Броуновское движение. Диффузия. Тепловое равновесие

1. В 1827 г. английский ботаник Р. Броун, изучая с помощью микроскопа частички цветочной пыльцы, взвешенные в воде, заметил, что эти частички совершают беспорядочное движение; они как бы дрожат в воде.

Причину движения частиц пыльцы долго не могли объяснить. Сам Броун предположил вначале, что они движутся, потому что они живые. Движение частиц пытались объяснить неодинаковым нагреванием разных частей сосуда, происходящими химическими реакциями и т.д. Лишь значительно позже поняли истинную причину движения частиц, взвешенных в воде. Эта причина — движение молекул.

Молекулы воды, в которой находится частица пыльцы, движутся и ударяются о неё. При этом с разных сторон о частицу ударяется неодинаковое число молекул, что и приводит к её перемещению.

Пусть в момент времени ​ \( t_1 \) ​ под действием ударов молекул воды частица переместилась из т. А в т. В. В следующий момент времени большее число молекул ударяется о частицу с другой стороны, и направление её движения изменяется, она перемещается из т. В в т. С. Таким образом, движение частицы пыльцы является следствием движения и ударов о неё молекул воды, в которой пыльца находится (рис. 65). Подобное явление можно наблюдать, если поместить в воду частицы краски или сажи.

На рисунке 65 показана траектория движения частицы пыльцы. Видно, что нельзя говорить о каком-то определённом направлении её движения; оно всё время меняется.

Поскольку движение частицы — следствие движения молекул, то можно заключить, что молекулы движутся беспорядочно (хаотически). Иными словами, нельзя выделить какое-то определённое направление, в котором движутся все молекулы.

Движение молекул никогда не прекращается. Можно сказать, что оно непрерывно. Непрерывное хаотическое движение атомов и молекул называют тепловым движением. Такое название определяется тем, что скорость движения молекул зависит от температуры тела.

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 ​ \( (v_<ср>) \) ​.

2. С точки зрения движения молекул можно объяснить такое явление, как диффузия.

Диффузией называется явление проникновения молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещества.

Мы ощущаем запах духов на некотором расстоянии от флакона. Это объясняется тем, что молекулы духов, так же как и молекулы воздуха, движутся. Между молекулами существуют промежутки. Молекулы духов проникают в промежутки между молекулами воздуха, а молекулы воздуха — в промежутки между молекулами духов.

Диффузию жидкостей можно наблюдать, если в мензурку налить раствор медного купороса, а сверху — воду так, чтобы между этими жидкостями была резкая граница. Через два-три дня можно заметить, что граница уже не будет такой резкой; через неделю она совсем размоется. Спустя месяц жидкость станет однородной и во всем сосуде будет окрашена одинаково (рис. 66).

В этом опыте молекулы медного купороса проникают в промежутки между молекулами воды, а молекулы воды — в промежутки между молекулами медного купороса. При этом следует иметь в виду, что плотность медного купороса больше, чем плотность воды.

Опыты показывают, что диффузия в газах происходит быстрее, чем в жидкостях. Это объясняется тем, что газы имеют меньшую плотность, чем жидкости, т.е. молекулы газов расположены на больших расстояниях друг от друга. Ещё медленнее происходит диффузия в твёрдых телах, поскольку молекулы твёрдых тел находятся ещё ближе друг к другу, чем молекулы жидкостей.

В природе, технике, быту можно обнаружить множество явлений, в которых проявляется диффузия: окрашивание, склеивание и др. Диффузия имеет большое значение в жизни человека. В частности, благодаря диффузии кислород в организм человека поступает не только через лёгкие, но и через кожу. По этой же причине питательные вещества проникают из кишечника в кровь.

Скорость диффузии зависит не только от агрегатного состояния вещества, но и от температуры.

Если приготовить два сосуда с водой и медным купоросом для проведения опыта по диффузии и один из них поставить в холодильник, а другой оставить в комнате, то можно обнаружить, что при более высокой температуре диффузия будет происходить быстрее. Это происходит потому, что при повышении температуры быстрее движутся молекулы. Таким образом, скорость движения молекул
и температура тела связаны между собой.

Чем больше средняя скорость движения молекул тела, тем выше его температура.

3. Молекулярная физика в отличие от механики изучает системы (тела), состоящие из большого числа частиц. Эти тела могут находиться в различных состояниях.

Величины, характеризующие состояние системы (тела), называются параметрами состояния. К параметрам состояния относят давление, объём, температуру.

Возможно такое состояние системы, при котором параметры, характеризующие его, остаются неизменными сколь угодно долго при отсутствии внешних воздействий. Это состояние называется тепловым равновесием.

Так, объём, температура, давление жидкости в сосуде, находящейся в тепловом равновесии с воздухом в комнате, не изменяются, если для этого не будет каких-либо внешних причин.

4. Состояние теплового равновесия системы характеризует такой параметр, как температура. Особенностью его является то, что значение температуры во всех частях системы, находящейся в состоянии теплового равновесия, одинаково. Если опустить в стакан с горячей водой серебряную ложку (или ложку из любого другого металла), то ложка будет нагреваться, а вода — остывать. Это будет происходить до тех пор, пока не наступит тепловое равновесие, при котором ложка и вода будут иметь одинаковую температуру. В любом случае, если взять два различно нагретых тела и привести их в соприкосновение, то более нагретое тело будет остывать, а более холодное — нагреваться. Через некоторое время система, состоящая из этих двух тел, придёт в тепловое равновесие, и температура этих тел станет одинаковой.

Так, одинаковой станет температура ложки и воды, когда они придут в тепловое равновесие.

Температура — это физическая величина, которая характеризует тепловое состояние тела.

Так, температура горячей воды выше, чем холодной; зимой температура воздуха на улице ниже, чем летом.

Единицей температуры является градус Цельсия (°С). Температуру измеряют термометром.

В основе устройства термометра и соответственно способа измерения температуры лежит зависимость свойств тел от температуры, в частности свойство тела расширяться при нагревании. В термометрах могут быть использованы разные тела: и жидкие (спирт, ртуть), и твёрдые (металлы) и газообразные. Их называют термометрическими телами. Термометрическое тело (жидкость или газ) помещают в трубку, снабжённую шкалой, её приводят в соприкосновение с телом, температуру которого хотят измерить.

При построении шкалы выбирают две основные (реперные, опорные) точки, которым приписывают определённые значения температуры, и интервал между ними делят на несколько частей. Значение каждой части соответствует единице температуры по данной шкале.

Температуру по абсолютной шкале обозначают буквой ​ \( T \) ​. Связь между температурой по абсолютной шкале ​ \( (T) \) ​ и температурой по шкале Цельсия ​ \( (^\circ) \) ​ выражается формулой:

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. Броуновское движение частиц краски в воде является следствием

1) притяжения между атомами и молекулами
2) отталкивания между атомами и молекулами
3) хаотического и непрерывного движения молекул
4) перемещения слоёв воды из-за разности температуры нижних и верхних слоёв

2. В какой из приведённых ниже ситуаций речь идёт о броуновском движении?

1) беспорядочное движение пылинок в воздухе
2) распространение запахов
3) колебательное движение частиц в узлах кристаллической решётки
4) поступательное движение молекул газа

А. Отсутствует выделенное направление движения молекул.
Б. Движение молекул не подчиняется никаким законам.

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

4. Положение молекулярно-кинетической теории строения вещества о том, что частицы вещества участвуют в непрерывном хаотическом движении, относится

1) только к газам
2) только жидкостям
3) только к газам и жидкостям
4) к газам, жидкостям и твёрдым телам

5. Какое (-ие) положение (-я) молекулярно-кинетической теории строения вещества подтверждает явление диффузии?

А. Молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении
Б. Между молекулами существуют промежутки

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

6. При одинаковой температуре диффузия в жидкостях происходит

1) быстрее, чем в твёрдых телах
2) быстрее, чем в газах
3) медленнее, чем в твёрдых телах
4) с той же скоростью, что и в газах

7. Укажите пару веществ, скорость диффузии которых наименьшая при прочих равных условиях

1) раствор медного купороса и вода
2) пары эфира и воздух
3) железная и алюминиевая пластины
4) вода и спирт

8. Вода кипит и превращается в пар при температуре 100 °С. Средняя скорость движения молекул пара

1) равна средней скорости движения молекул воды
2) больше средней скорости движения молекул воды
3) меньше средней скорости движения молекул воды
4) зависит от атмосферного давления

9. Тепловое движение молекул

1) прекращается при 0 °С
2) прекращается при 100 °С
3) непрерывно
4) имеет определённое направление

10. Воду нагревают от комнатной температуры до 80 °С. Что происходит со средней скоростью движения молекул воды?

1) уменьшается
2) увеличивается
3) не изменяется
4) сначала увеличивается, а начиная с некоторого значения температуры, остаётся неизменной

11. Один стакан с водой стоит на столе в тёплом помещении, другой — в холодильнике. Средняя скорость движения молекул воды в стакане, стоящем в холодильнике

1) равна средней скорости движения молекул воды в стакане, стоящем на столе
2) больше средней скорости движения молекул воды в стакане, стоящем на столе
3) меньше средней скорости движения молекул воды в стакане, стоящем на столе
4) равна нулю

12. Из перечня приведённых ниже высказываний выберите два правильных и запишите их номера в таблицу

1) тепловое движение молекул происходит только при температуре большей 0 °С
2) диффузия в твёрдых телах невозможна
3) между молекулами одновременно действуют силы притяжения и силы отталкивания
4) молекула — это наименьшая частица вещества
5) скорость диффузии увеличивается с повышением температуры

13. В кабинет физики принесли ватку, смоченную духами, и сосуд, в который налили раствор медного купороса (раствор голубого цвета), а поверх осторожно налили воду (рис. 1). Было замечено, что запах духов распространился по объёму всего кабинета за несколько минут, тогда как граница между двумя жидкостями в сосуде исчезла только через две недели (рис. 2).

Выберите из предложенного перечня два утверждения, которые соответствуют результатам проведённых экспериментальных наблюдений. Укажите их номера.

1) Процесс диффузии можно наблюдать в газах и жидкостях.
2) Скорость диффузии зависит от температуры вещества.
3) Скорость диффузии зависит от агрегатного состояния вещества.
4) Скорость диффузии зависит от рода жидкостей.
5) В твёрдых телах скорость диффузии наименьшая.

Источник

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.

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

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.

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) 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.

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Источник