Хаотическое движение и смешивание
Меняй температуру и ход наблюдения. Следи, как две цветные группы перемешиваются.
Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.
Качественная двумерная модель случайных перемещений: повороты изображают столкновения со средой. Цвет обозначает группу. Масштаб времени и число частиц условны.
Частицы: вещество имеет дискретное строение
Молекулярно-кинетическая теория связывает свойства вещества со строением и движением его частиц. В зависимости от вещества такими частицами являются атомы, молекулы или ионы. Между частицами есть промежутки; тело не является сплошной средой на любом масштабе.
Модель частиц не означает, что молекулы обладают всеми свойствами вещества. Отдельная молекула воды не бывает «мокрой» и не имеет температуры в обычном термодинамическом смысле. Эти характеристики относятся к большой совокупности частиц.
Строение
Вещество состоит из частиц
Движение
Частицы непрерывно движутся хаотически
Взаимодействие
На малых расстояниях существенны притяжение и отталкивание
Свойства вещества объясняют совместно строением, движением и взаимодействием частиц.
Почему нельзя назвать одну молекулу жидкой?
Жидкость — состояние множества взаимодействующих частиц. У одной молекулы нет ни текучести, ни свободной поверхности как свойств тела.
Движение: диффузия и броуновский след
Диффузия — взаимное проникновение веществ вследствие теплового движения частиц. Она возможна в газах, жидкостях и твёрдых телах, но с разной скоростью. Перемешивание ложкой и перенос запаха потоком воздуха ускоряют смешивание и не являются одной лишь диффузией.
Броуновское движение — беспорядочное движение малых взвешенных частиц под неравномерными ударами молекул среды. Под микроскопом видна взвешенная частица, а не сами молекулы, толкающие её. У более крупных взвешенных частиц броуновские перемещения обычно менее заметны. На них влияют также температура и свойства среды.
| Явление | Что движется | Причина |
|---|---|---|
| Диффузия | Частицы смешивающихся веществ | Тепловое движение |
| Броуновское движение | Взвешенная микрочастица | Неравномерные молекулярные удары |
| Конвекция | Объёмные потоки среды | Движение самой жидкости или газа |
Броуновская частица служит видимым индикатором невидимого молекулярного движения.
Почему движение нельзя объяснить только потоком жидкости?
Поток увлекает соседние частицы согласованно. Броуновские перемещения беспорядочны и не имеют устойчивого общего направления.
Схема броуновского движения
Изломанная траектория видимой частицы отражает неуравновешенные удары окружающих молекул. Сами молекулы на таком рисунке изображены условно.
Kayau · CC BY 3.0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Модель молекулы воды H₂O
Модель молекулы показывает состав и расположение атомов. Цветные сферы — условное представление атомов, а не фотография частиц.
Sakurambo; уточнение Plenz · Общественное достояние · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Силы: почему вещество не распадается и не сжимается без предела
На небольших расстояниях частицы притягиваются, а при чрезмерном сближении резко возрастает отталкивание. Около устойчивого расстояния взаимодействие удерживает частицы вместе. На больших расстояниях межмолекулярные силы быстро ослабевают.
Нельзя описывать вещество только притяжением: тогда не объяснить сопротивление сжатию. Нельзя оставить только отталкивание: тогда не объяснить существование связанных жидкостей и твёрдых тел. Соотношение движения и взаимодействия определяет состояние вещества.
Далеко друг от друга
Взаимодействие слабое
Умеренное сближение
Притяжение становится существенным
Слишком близко
Преобладает отталкивание
Притяжение и отталкивание проявляются на разных расстояниях.
Почему два куска стекла обычно не слипаются?
Неровности мешают сблизить большую часть поверхностей до межмолекулярных расстояний. Одного видимого соприкосновения для прочного соединения недостаточно.
Наглядная модель: от температуры к смешиванию
В интерактиве сравни хаотическое движение при разных температурах и наблюдай смешивание двух условных групп частиц. Цвет обозначает принадлежность к группе, а не температуру отдельной молекулы. При повышении температуры характерные скорости растут.
Рисунок двумерный и содержит мало частиц; он показывает механизм, но не предсказывает реальное время диффузии. Объясняя опыт, разделяй наблюдение, вывод и допущение: движение микрочастицы наблюдается, молекулярные удары объясняют его, размеры на экране условны.
Наблюдение
Частицы постепенно перемешиваются
Объяснение
Хаотическое движение переносит их в обе стороны
Проверка условий
Исключить направленные потоки и механическое перемешивание
Наглядная модель объясняет механизм и имеет явно заданные ограничения.
Прекращается ли тепловое движение в равновесии?
Нет. Постоянные макропараметры совместимы с непрерывным хаотическим движением частиц.
Шесть выводов
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе
Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Физика, 10 класс», § 1. Тема и содержание сверены с файлом «10 класс. Физика — § 01. Основные положения молекулярно-кинетической.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.
Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.