Что называют тепловым движением молекул
Что называют тепловым движением молекул
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 — тепловое движение. 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.
Броуновское движение
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.
Конспект урока «Тепловое движение. Броуновское движение».
Тепловое движение — доказательство явления, виды и признаки
Молекулы или атомы веществ не находятся в состоянии покоя, а непрерывно движутся. Тепловое движение — это беспорядочное коллективное перемещение частиц вещества. Обычно рассматривается это явление для атомов или молекул, но оно характерно для любых частиц (электронов, ионов и других).
Температура и скорость
Скорость теплового движения молекул зависит от температуры вещества. Чем выше температура, тем они движутся быстрее. Именно температура является мерой того, насколько интенсивно движутся молекулы или атомы.
Для повышения температуры нужно передать телу некоторое количество теплоты. Эта теплота идет на увеличение внутренней энергии тела. В нее вносят вклад кинетическая и потенциальная энергия молекул или атомов, составляющих вещество. Чем больше их энергия, тем быстрее они движутся.
Большинство молекул перемещается со скоростью, близкой к средней, и лишь небольшое их число имеет скорость намного меньшую или намного большую. Относительное число молекул, движущихся с определенной скоростью, можно найти с помощью функции распределения Максвелла по скоростям. Формулу это функции открыл Джеймс Клерк Максвелл. Из распределения Максвелла можно найти:
Также скорость передвижения частиц зависит от их массы. Чем масса больше, тем медленнее они движутся.
Доказательства явления
Для доклада на тему «Что называется тепловым движением» важно рассмотреть доказательства. Это броуновское движение и диффузия. Броуновское движение — это хаотическое перемещение взвешенных в жидкости твердых частиц. Броун впервые наблюдал такое поведение частичек пыльцы в воде.
Если посмотреть в микроскоп на взвешенную в воде пыльцу, будет видно, что частичка беспорядочно движется. Почему так происходит? Поскольку масса частички пыльцы сравнима с массой молекулы, эти удары заставляют ее двигаться скачками, так как в каждый момент времени случайным образом количество ударов с одной стороны оказывается больше, чем с другой.
Иногда понятие теплового движения в физике путают с понятием броуновского, однако это ошибка. Тепловым движением называют перемещение частиц самого вещества, тогда как под броуновским — частиц, взвешенных в жидкости или газе.
Именно тепловым движением объясняется явление диффузии. Она может происходить в разных классах веществ, даже в твердых телах, но там она идет значительно медленнее, чем в газах или жидкостях.
При диффузии частицы одного вещества проникают между частицами другого. При этом они движутся от области с большей концентрацией в область с меньшей, и концентрация сама по себе с течением времени выравнивается.
Примеры диффузии — это растворение сахара, соли и других веществ в воде, распространение запахов. При этом с ростом температуры растет и скорость диффузии, так как передвижение молекул становится интенсивнее.
Тепловое движение в различных веществах
Частицы любого вещества совершают тепловое движение. Но в зависимости от того, какое состояние рассматривается, этот процесс несколько отличается:
Эти различия связаны с отличием в строении разных агрегатных состояний.
В газе частицы мало взаимодействуют друг с другом и расположены неупорядоченно. Они имеют разные скорости и двигаются в различных направлениях.
В жидкостях существует только ближний порядок, то есть близко расположенные частицы взаимодействуют друг с другом сильнее, чем относительно удаленные. Они могут колебаться около положения равновесия, образовывать слои и перемещаться из одного в другой.
В твердых телах существует дальний порядок, атомы или молекулы обычно образуют кристаллическую решетку и находятся в ее узлах. Такая структура не дает им свободно перемещаться.
Тепловым движением называется непрерывное хаотическое перемещение частиц вещества. Оно характерно для любых веществ, а интенсивность его зависит от температуры. Доказать явление можно, рассматривая броуновское движение и диффузию.
Определение теплового движения в физике
Все вещества имеют молекулярное строение. Мельчайшие частицы — молекулы — постоянно передвигаются, беспорядочно, хаотично. В ходе движения они сталкиваются друг с другом и разлетаются в разные стороны. Скорость такого движения зависит от температуры вещества: чем она выше, тем скорость больше. Отсюда название — тепловое движение.
Понятие теплового движения в физике
Хаотичное движение мельчайших частиц, составляющих структуру вещества, называют тепловым движением. В роли мельчайших частиц выступают молекулы и атомы. Совершая беспорядочные движения в пространстве, молекулы определяют температуру тела.
Движение молекул обнаружил Роберт Броуну который в 1827 году наблюдал за спорами грибов и растений. Он помещал их в жидкость и видел, что они непрерывно колеблются. При этом Броун утверждал, что амплитуда движения мелких частиц больше, чем крупных.
Объяснить причину происходящего Броун не мог, однако такой вид движения получил название в его часть — броуновское. Движения соседних молекул не уравновешивают друг друга, поскольку силы ударов не одинаковы.
Только в 1905 году Эйнштейн описал математическую модель названного движения, представил научному миру уравнение для вычисления коэффициента диффузии частиц.
«Диффузия» означает растекание, распространение. Это происходит, когда атомы одного вещества распространяются внутри другого. Такое явление возможно в газах, жидкостях и твердых веществах. Таким образом происходит выравнивание концентраций двух веществ, а также их температур. Так распространяются запахи, растворяется соль и сахар.
Скорость диффузии увеличивается при нагревании вещества.
Тепловое движение в различных веществах
Утверждение про хаотичное движение микрочастиц касается газа. При этом траекторию их движения невозможно просчитать, поскольку ее меняют постоянные столкновения молекул (атомов) между собой и со стенками сосуда, в котором вещество заключено.
Рассматривая жидкость, под хаотичным движением подразумевают колебания микрочастиц в районе своего равновесия. При этом иногда молекулы (атомы) способны перескакивать из одного места в другое. Касательно твердых тел, тепловое движение — это колебательные подергивания структурных единиц возле своего равновесного положения. При нагревании эти подергивания усиливаются и на определенном этапе становятся настолько сильными, что могут спровоцировать изменения агрегатного состояния вещества.
Какие молекулы участвуют
В тепловом движении участвуют все молекулы вещества, более интенсивно в том месте, которое нагревается.
К примеру, если температура азота 15оС, 59% его молекул движутся со скоростью 300-700 м/с (в среднем 500 м/с). Скорость менее 100 м/с имеют 0,6% молекул, а свыше 1000 м/с — порядка 5,4%.
Доказано, что с увеличением массы молекул их скорость меньше, чем у мелких.
Способы изменения скорости движения молекул
Скорость движения мельчайших частиц вещества зависит от следующих свойств:
Опытным путем было доказано, что скорость движения частиц прямо пропорциональна изменению температуры вещества.
Если два вещества, имеющие различную температуру, соединяются, между ними через определенное время устанавливается тепловое равновесие, т.е. их температура становится одинаковой. Научное объяснение этого факта заключается в уравновешивании кинетической энергии всех частиц.
Температура, абсолютная шкала температур
Для измерения температуры вещества применяется термометр. Температура, при которой прекращается тепловое движение молекул, называется абсолютным нулем. На шкале Кельвина это 0К.
Существует еще одна шкала для измерения температуры тела — шкала Цельсия, в которой основными точками являются 0оС и 100оС.
Измеряя температуру, производят вычисление средней кинетической энергии. Связь между этими понятиями отражает постоянная Больцмана.
Энергия теплового движения молекул, формула
Молекулярно-кинетическая теория предполагает, что молекулы газа являются упругими шариками, которые воздействуют друг на друга и на стенки сосуда. Однако объем сосуда предполагается намного большим, чем суммарный объем всех молекул, поэтому задачей является изучение связи между массой, скоростью, энергией частиц и давлением, объемом, температурой.
Сталкиваясь друг с другом, молекулы меняют направление движения и скорость, однако между столкновениями их движение — прямолинейные и равномерный процесс.
Когда устанавливается тепловое равновесие, газы приобретают одинаковую температуру, которая не определяется родом газа. Данное свойство характерно для идеального газа. Ранее в статье обращалось внимание, что температура выше у того газа, молекулы которого движутся быстрее. Следовательно, нагревание газа приводит к увеличению его давления на стенки сосудов. Этот параметр прямо пропорционален средней кинетической энергии движущихся молекул.
Основное уравнение молекулярно-кинетической теории гласит, что давление P находится в прямо пропорциональной зависимости от средней кинетической энергии поступательного движения частиц. При этом, когда устанавливается тепловое равновесие, то такие признаки, как давление и объем газа, фиксируются, а средняя кинетическая энергия приобретает постоянное значение (как и температура газа).
Уравнение, выражающее связь между средней кинетической энергией молекул и температурой, имеет следующий вид:
В уравнении присутствует величина, равна отношению R к NА. Было установлено, что эта величина является идентичной для всех компонентов. Это постоянная Больцмана.
С учетом постоянной Больцмана формула упрощается:
Еще одна разновидность уравнения, выражающая соотношение внутреннего (концентрация молекул) и внешнего (температура) факторов, выглядит следующим образом:
Следовательно, если температура и давление газов одинаковы, концентрация их молекул так же равна. Следствием этого утверждения является закон Авогадро: равные объемы газов при аналогичных условиях (температура и давление) содержат равное число молекул.
Квадратичная скорость теплового движения
Измерить скорость теплового движения молекул удалось немецкому физику О. Штерну (1920). Формула, которую он вывел, имеет вид:
При решении задач среднюю квадратичную скорость движения молекул веществ можно определить по специальной таблице:
Тепловое движение. Температура
1. Понятие о тепловом явлении
В окружающем нас мире происходят различные физические явления, которые связаны с нагреванием и охлаждением тел. Словами холодный, теплый, горячий, мы указываем на степень нагревания тела. То есть указываем на различную температуру тел. Следовательно температурой называют физическую величину которая определяет степень нагревания тела. Явления, связанные с нагреванием или охлаждением тел, то есть изменением температуры, называют тепловыми. К тепловым явлениям относятся, например нагревания и охлаждения воздуха, таянии льда, плавления металлов, испарение воды и другие.
2. Понятие о температуре. Виды термометров
Температурой называют физическую величину, которая определяет степень нагревания тела.
Температура измеряется разными термометрами:
Температуру измеряют в градусах по Цельсию. Кроме шкалы по Цельсию существуют еще шкала по Кельвину и шкала по Фаренгейту.
3. Зависимость кинетической энергии движения молекул от температуры
Молекулы или атомы, из которых состоят тела, находятся в непрерывном беспорядочном движении. Их количество, в окружающих телах очень велико. Так как движение частиц связано с температурой, то чем выше температура, тем скорость движения молекул или атомов больше. Чем меньше температура, тем скорость движения частиц меньше. Поэтому скорость движения молекул зависит от температуры. Температура тела находится в тесной связи со средней кинетической энергией молекул. Чем выше температура тела, тем больше средняя кинетическая энергия его молекул. При понижении температуры тела, средняя кинетическая энергия его молекул уменьшается.
В тепловом движении участвуют все молекулы тела, поэтому с изменением теплового движения, изменяется и состояние тела, его свойства. Так, при повышении температуры, лед начинает таять, превращаясь в жидкость. Если понижать температуру, например ртути, то она из жидкости превращается в твердое состояние.
4. Понятие теплового движения частиц
Беспорядочное движение частиц, из которых состоят тела, называют тепловым движением.
Молекулы или атомы, из которых состоят тела, находятся в непрерывном беспорядочном движении. Их количество в окружающих нас телах очень велико. Например, в одном кубическом сантиметре воды содержится 3,34*10 в 22 степени. И поэтому изучить движение молекул, очень сложно.
Тепловое движение – что называют, уравнение и модель
Молекулы и атомы всех веществ находятся в состоянии никогда не прекращающегося движения. Многочисленные наблюдения показали, что при нагревании тел, то есть при подведении дополнительной теплоты, растет их температура. Полученная телом дополнительная энергия идет на увеличение внутренней энергии, которая складывается из кинетической и потенциальной энергий всех молекул вещества.
Броуновское движение
Возрастание кинетической энергии связано с увеличением скоростей атомов и молекул, тепловое движение (перемещение) которых становится более интенсивным. Введение понятия теплового движения частиц, из которых состоят вещества, позволило объяснить многие тепловые процессы: плавление, испарение, таяние, кипение и т.д.
Тот факт, что молекулы непрерывно движутся, впервые обнаружил английский ученый-ботаник Роберт Броун в 1827 г. Он наблюдал в микроскоп споры (клетки грибов и растений), помещая их в жидкость. Оказалось, что споры непрерывно колеблются, толкутся взад и вперед. Движение меньших по размерам частиц сильнее, чем больших. Это явление было названо в честь своего первооткрывателя — броуновским движением, хотя сам Броун не смог объяснить его суть. Причина явления долго оставалась непонятной, пока не было доказано, что это движение частиц вызвано толчками (ударами) окружающих молекул жидкости или газа.
Рис. 1. Броуновское движение частиц
Хотя молекулы жидкости (или) газа ударяют частицы со всех сторон, но все же их удары не уравновешивают полностью друг друга. Случайно (с какой-то вероятностью) действие ударов на частицу с какой-нибудь стороны окажется несколько сильнее, чем с других сторон, в результате чего частица начнет двигаться в определенном направлении. Затем начнут преобладать удары с другой стороны, и частица начнет двигаться в новом направлении. Результатом является беспорядочное движение частицы. Таким образом, открытие броуновского движения оказалось одним из наиболее непосредственных подтверждений существования молекул.
Математическую модель для описания броуновского движения создал Альберт Эйнштейн в 1905 г. Уравнение Эйнштейна позволяет вычислить коэффициент диффузии сферических броуновских частиц, с помощью которого стало возможным определять смещение частиц за определенное время.
Что такое диффузия
Еще одним ярким доказательством существования молекул, находящихся в состоянии непрерывного теплового движения, является диффузия. Термин диффузия происходит от латинского слова diffusio — растекание, распространение.
Рис. 2. Что такое диффузия в физике
Многие эффекты легко объясняются диффузией молекул или атомов одного вещества внутрь другого. Диффузия может происходить в газах, жидкостях и твердых телах. Проникновение молекул одного вещества в другое приводит к самопроизвольному выравниванию концентраций, то есть диффузия имеет направленный (не хаотичный) характер из области с большой концентрацией в область с меньшей концентрацией. Вот несколько примеров, которые объясняются с диффузией молекул:
Хорошо известен классический опыт, когда пластинку золота плотно сжали с пластинкой свинца, и через пять лет свинец и золото взаимно проникли на глубину в 1 мм.
С ростом температуры скорость диффузии возрастает, что является еще одним подтверждением теплового движения молекул.
Скорость молекул
Молекулы в веществе при любой температуре могут иметь разные скорости. Всегда будет какое-то количество молекул с малыми (почти нулевыми) и очень большими скоростями. Большинство молекул будут иметь среднюю скорость, которая и определит температуру всего вещества. Функция (формула), позволяющая рассчитать сколько молекул из общего числа имеют определенную скорость называется распределением по скоростям. Эту задачу решил английский физик Джеймс Клерк Максвелл.
Рис. 3. Распределение по скоростям Максвелла:.
Из графика этой функции видно, что максимальное число молекул сосредоточено в районе средней скорости.
Например, при температуре 150С средняя скорость молекул азота равна 500 м/с, со скоростями от 300 до 700 м/с движется 59% молекул. С небольшими скоростями — от 0 до 100 м/с — движется только 0,6% молекул. Самых быстрых молекул со скоростями больше 1000м/с в газе только 5,4%.
Таким образом, становится понятно, что называют тепловым движением коллективное, хаотичное, непрерывное перемещение молекул в веществе с разными скоростями. Средняя скорость зависит от температуры. Скорости молекул растут с ростом температуры. Чем больше массы отдельных молекул вещества, тем меньше их скорости.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали кратко о характерных признаках теплового и броуновского движений. Хаотичное, беспорядочное движение является общим признаком этих процессов. Броуновское движение частиц, которые можно наблюдать в микроскоп является следствием теплового движения молекул и атомов, непрерывно “бомбардирующих” частицы (фрагменты) вещества.