Рух часток речовини

Найбільш яскравим експериментальним підтвердженням представлень молекулярно-кінетичної теорії про безладний рух атомів і молекул є броунівський рух.

Рисунок 2.3а. Рисунок 2.3б.

У 1827 р. шотландський ботанік Р. Броун, вивчаючи рослини за допомогою мікроскопа, виявив дуже незвичайне явище. Плаваючі на воді спори (дрібне насіння деяких рослин) при спостереженні за ними в мікроскоп стрибкоподібно рухалися без видимих на те причин (див. рисунок 2.3а). Броун спостерігав цей рух декілька днів, проте так і не зміг дочекатися його припинення. Він його детально описав, але пояснити так і не зміг. Згодом це явище назвали броунівським рухом.

Пояснюється це явище таким чином. Молекули завжди знаходяться в постійному хаотичному русі. Вони безладно стикаються з іншими молекулами. Натрапляючи на спори, молекули викликають їх стрибкоподібні переміщення, що Броун і спостерігав в мікроскоп. А оскільки молекули в мікроскоп не видно, той рух спор здавався Броуну безпричинним.

На рисунку 2.3б зображена модель броунівського руху. Безліччю дрібних кульок позначені молекули води, а великою кулею - спора. Кількість ударів молекул об спору ліворуч і справа, згори і знизу, спереду і ззаду не завжди однаково. Під дією " переваги" ударів з якого-небудь одного боку спора перескакуватиме з місця на місце.

Рисунок 2.4.

В результаті швидкість броунівської частки безладно міняється по модулю і напряму, а її траєкторія є складною зигзагоподібною кривою (рис. 2.4). Теорія броунівського руху була створена. А Ейнштейном в1905 р. Експериментально теорія Ейнштейна була підтверджена в дослідах французького фізика ж. Перрена.

 

Дифузія

Самостійний рух часток речовини служить поясненням і ще одного фізичного явища. Розглянемо його на досліді.

У високу посудину з водою кинемо декілька крупинок марганцівки (рис 2.5). Вони опустяться на дно посудини, і навколо них незабаром утворюється фіолетова хмарка забарвленої води. Залишимо посудину в спокої на декілька годин. Спостерігаючи за нею весь цей час, ми виявимо поступове поширення забарвлення по усій висоті посудини. Говорять, що відбувається дифузія фарби у воду

Рисунок 2.5.

Дифузією називається взаємне проникнення речовин, що відбувається внаслідок безладного руху молекул речовини. Слово дифузія в перекладі з латинської мови означає розтікання, поширення.

Дифузія пояснюється таким чином. Частки речовин, безладно рухаючись, проникають в проміжки один між одним, що і означає змішування речовин. Найшвидше дифузія відбувається в газах. Повільніше - в рідинах, а в твердих тілах - зовсім повільно: роками. Відомий, наприклад, наступний дослід. Дві гладко відшліфовані пластини із золота і свинцю пролежали одна на одній близько 5 років. За цей час золото і свинець продифундували (проникли) один в одного на глибину близько 1 мм.

Дифузія має велике значення в житті людей і тварин. Так, наприклад, кисень з довкілля завдяки дифузії проникає всередину організму через шкіру людини. Поживні речовини завдяки дифузії проникають з кишечника в кров.

Завдання:

Налийте в склянку холодну воду і опустите в неї крупинку марганцівки. Не перемішуючи воду, визначите, через який час молекули марганцівки потраплять у верхній шар води. Поясните спостережуване явище.

Взаємне притягання і відштовхування молекул

Спостереження показують, що тверді тіла і рідини не розпадаються на окремі шматочки, не дивлячись на те, що молекули розділені проміжками і знаходяться в безперервному і безладному русі.

Виконаємо дослід. Візьмемо два свинцеві циліндри (рис. 2.6). Ножем або лезом зачистимо їх торці до блиску і щільно притиснемо один до одного. Ми виявимо, що циліндри " зчепляться". Сила їх зчеплення настільки велика, що при вдалому проведенні досліду циліндри витримують вагу гирі масою 5 кг (рис. 2. 7).

 

Рисунок 2.6. Рисунок 2.7. Рисунок 2. 8.

З досліду можна зробити висновок: частки речовин здатні притягуватися одна до одної. Проте це виникає лише тоді, коли поверхні тіл дуже гладкі (для цього і знадобилася зачистка лезом) і, крім того, щільно притиснуті одна до одної.

Частки будь-якої речовини здатні відштовхуватися один від одного. Це підтверджується тим, що рідкі, а особливо тверді тіла дуже важко стискувати. Наприклад, щоб здавити гумову гумку, потрібно значну силу! Гумку набагато легше зігнути, ніж здавити (рис. 2.8).

Притягання або відштовхування часток речовин виникає лише у тому випадку, коли вони знаходяться в безпосередній близькості. На відстанях, трохи більших розмірів самих часток, вони притягуються. На відстанях, менших розмірів часток, вони відштовхуються. Якщо ж поверхні тіл віддалені на відстань, помітно більшу, ніж розмір часток, то взаємодія між ними не проявляється ніяк. Наприклад, не можна помітити ніякого притягання між свинцевими циліндрами, якщо їх спочатку не стискувати, тобто не зблизити їх частки.

Виникнення сили пружності. Стискуючи або розтягуючи, згинаючи або скручуючи тіло, ми зближуємо або віддаляємо його молекули. Тому між ними виникають сили притягання-відштовхування, які ми і об'єднуємо терміном " сила пружності".

 

Рисунок 2.9.

На рисунку 2.9 умовно зображені частки гуми ластику, що згинається. Ви бачите, що біля верхньої грані ластику молекули гуми зближуються одна з одною. Це призводить до виникнення між ними сил відштовхування. Поблизу нижньої грані гумки частки віддаляються один від одного, що призводить до виникнення між ними сил притягання. В результаті їх дії гумка прагне випрямитися, тобто повернутися в недеформований стан. Іншими словами, в гумці виникає сила пружності, спрямована протилежно силі, що викликала деформацію.

 

Швидкість руху часток і температура

Такі явища, як, наприклад, нагрівання і охолодження повітря, танення льоду, плавлення металів, кипіння води, називається тепловими явищами.

Відомо, що при нагріванні вода стає спочатку теплою, а потім гарячою. Нагріта піч поступово охолоджується, а повітря в кімнаті нагрівається. Словами " холодний", " теплий", " гарячий" ми називаємо тепловий стан тіл. Однією з величин, що характеризують тепловий стан тіл, являється температура.

Якщо спостерігати дифузію рідин в двох посудинах, то можна виявити, що при вищій температурі дифузія проходить швидше. Це означає, що швидкість руху молекул і температура пов'язані між собою.

Чим більша швидкість руху молекул тіла, тим вища його температура.

Тепла вода складається з таких же молекул, що і холодна. Різниця в тому, що молекули теплої води рухаються швидше, ніж молекули холодної води. Але ж чим більше швидкість тіла, тим більше його кінетична енергія.

Молекули мають надзвичайно малі розміри. Прості одноатомні молекули мають розмір порядку 10^-10м. Але, якщо узяти 20 г води, там буде приблизно 6·10²³ молекул, і кожна молекула рухається, отже, має кінетичну енергію.

Безладний хаотичний рух молекул називається тепловим рухом. Кінетична енергія теплового руху росте із зростанням температури.

Отже, при будь-якій температурі спостерігається самостійний рух часток усіх речовин - твердих, рідких і газоподібних. Оскільки частки рухаються, вони мають кінетичну енергію. Ця енергія тим більше, чим вище температура тіла.

Питання:

1. Які теплові явища ви знаєте?

2. Чим відрізняється рух молекул холодної води від руху молекул гарячої води?

3. Чому, опускаючи руку у воду, ви відразу відчуваєте холодна вона або гаряча?

4. Чому тверді тіла і рідини не розпадаються самі собою на окремі молекули?

5. Які явища вказують, що молекули не лише притягуються, але і відштовхуються одна від одної?

Завдання:

Налийте в дві склянки однакову кількість води. Одну з них поставте в тепле місце, а іншу в холодне. Через деякий час опустите в кожну склянку крупинку марганцівки. Поставте склянки на колишні місця. Через певний час відмічайте положення межі забарвленої і чистої води. Поясните спостережуване явище.