В статье рассматривается подробно одно из основных положений молекулярно-кинетической теории, а именно, вопрос о тепловом движении молекул (атомов) вещества.
Задача исследования — провести эксперименты или ознакомиться с моделями некоторых из них для получения наглядных представлений о тепловом движении частиц вещества. Это особенно интересно, так как отдельные частицы вещества недоступны для наблюдения невооружённым глазом. Поэтому проведение экспериментов, которые позволят судить о непрерывном и хаотичном движении частиц очень важная задача для исследователя, начинающего заниматься физикой — наукой о природе и её законах.
Ключевые слова: броуновское движение, тепловое движение молекул, молекулярно-кинетическая теория.
Знаниями о строении вещества люди располагали ещё в глубокой древности. В I веке до н. э. римский поэт и философ Тит Лукреций Кар написал поэму «О природе вещей», где дал объяснение многим окружающим явлениям природы с точки зрения существования атомов. Лукреций использовал идеи, высказанные греческими учёными Демокритом и Эпикуром в V и III веках до н. э.
«Первоначала» вещей недоступны для глаза.
Но выслушай то, что скажу, и ты сам, несомненно, признаешь –
Существуют тела те, что видеть не можем.
………………………………….
Капля за каплею точат скалу, упадая.
………………………………….
Плуга железный сошник постепенно стирается в почве .
Вывод такой: вещество не есть нечто сплочённое тесно,
Ибо все вещи, как мы замечаем, становятся меньше –
Они как бы тают в течение долгого века –
И похищает их ветхость из наших очей незаметно.
…………………………………….
И мостовую дорог, мощённую камнем,
Видим мы стёртой ногами толпы .
В этой книге, естественно, речь шла и о тепловом движении молекул.
Тела основные в движении вечном мятутся
Им негде остаться на месте в пространстве,
Ведь нет у Вселенной ни дна, ни конца, ни предела.
Но вещи из них можно видеть в полнейшем покое!
Сравни, по холму густорунные овцы пасутся:
На пастбище манит, сверкая алмазной росою, трава.
И прыгают там и резвятся, бодаясь, ягнята.
А издали всё неподвижным пятном на холме .
……………………………………..
Малые вещи, порой, помогут судить о великом.
Смотри: всякий раз, когда солнечный свет проникает
В наши жилища и мрак прорезает своими лучами,
Множество маленьких тел в пустоте ты увидишь.
Мечутся взад и вперёд в лучистом сиянии света,
Будто бы в вечной борьбе они бьются в сраженьях и битвах.
Знай же теперь, что идёт от «начал» всё блужданье:
Их получают толчки незаметно тела покрупнее,
Так же движенье доходит к пылинкам, что в солнечном свете мелькают . [1].
«Первоначала», о которых идёт речь в поэме — это атомы. Слово «атом» было введено Демокритом. Оно означает «неделимый». Хотя сейчас известно, что атом имеет сложную структуру, нельзя не удивляться прозорливости древних. Атом, действительно, является первоосновой для строения вещества, так как, если изменить число протонов (положительно заряженных частиц) в ядре атома, то он превратится в другой атом (другой химический элемент, в атом другого вещества).
В России развитие идей древних учёных о внутреннем строении вещества продолжил Михаил Васильевич Ломоносов.
- Все вещества состоят из мельчайших частиц (молекул, атомов);
- Частицы вещества непрерывно и беспорядочно движутся;
- Частицы вещества взаимодействуют друг с другом (притяжение или отталкивание, в зависимости от расстояния) [2].
Справка. Ломоносов М. В. (8(19).11.1711– 4(15).04.1765г.) — первый русский учёный-естествоиспытатель мирового значения, энциклопедист, химик и физик, астроном, приборостроитель, географ, металлург, геолог, заложил основы науки о стекле, поэт, утвердил основания современного русского литературного языка, художник, историк, поборник развития отечественного просвещения, науки и экономики. Разработал проект Московского университета. Открыл наличие атмосферы у Венеры. Действительный член Академии наук и художеств. Его молекулярно-кинетическая теория во многом предвосхитила современное представление о строении материи. Ввёл в научный язык слова: опыт, движение наблюдение, явление, частицы.
Беспорядочное движение частиц, из которых состоят тела, называют тепловым движением.Втепловом движении участвуют все молекулы тела. В газах частицы движутся с большими скоростями в разных направлениях, сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда. В результате их скорость изменяется. В жидкостяхмолекулы колебаться, вращаться и перемещаться относительно друг друга. В твёрдых телахмолекулы (атомы) колеблются около некоторых средних положений. (Можно представить, что они скачут внутри клетки). Движение молекул в жидкостях является менее свободным, чем в газах, но более свободным, чем в твердых телах.
С ростом температуры скорость частиц увеличивается, поэтому хаотическое движение частиц принято называть тепловым.
Температура связана со средней энергией движения молекул. (Энергия движения называется кинетической.) Чем выше температура тела, тем больше средняя кинетическая энергия его молекул [3].
Важнейшими доказательствами существования движения молекул является броуновское движение и диффузия.
Диффу́зия (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие) — явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого [3] (самопроизвольное перемешивание веществ, [2]).
Процесс диффузии ускоряется с ростом температуры, так как с ростом температуры увеличивается скорость молекул.
Примером диффузии может служить перемешивание газов (например, распространение запахов) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: атомы соприкасающихся металлов перемешиваются на границе соприкосновения.
Быстрее всего диффузия происходит в газах (минуты), а медленнее в твёрдых телах (годы). В жидкостях — дни, недели. (рис.1).
Рис. 1. Диффузия в жидкостях
Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным. Ещё медленнее происходит диффузия одного твёрдого вещества в другое. Если медь покрыть золотом, то будет происходить диффузия золота в медь, но при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микронов только через несколько тысяч лет [4].
Броуновским называется движение видимых взвешенных в веществе частиц. (А тепловым — движение частиц самого вещества). Тепловое движение является причиной броуновского движения.
Явление открыто английским ботаником Робертом Броуном в 1827 году, когда он проводил исследования пыльцы растений [4]. Если распылить на поверхности жидкости мельчайшие крупинки какого-либо вещества, то они будут непрерывно двигаться. Эти броуновские частицы движутся под влиянием ударов молекул жидкости. Т. к. тепловое движение молекул — это непрерывное и беспорядочное движение, то и скорость движения броуновских частиц будет беспорядочно меняться по величине и направлению. Броуновское движение вечное и никогда не прекращается.
Броуновское движение — доказательство теплового движения молекул. То есть, броуновское движение является следствием и свидетельством существования теплового движения. Броуновское движение — наиболее наглядное экспериментальное подтверждение представлений молекулярно-кинетической теории о хаотическом тепловом движении атомов и молекул.
Броуновское движение происходит из-за того, что все жидкости и газы состоят из атомов или молекул — мельчайших частиц, которые находятся в постоянном хаотическом тепловом движении, и потому непрерывно толкают броуновскую частицу с разных сторон. Было установлено, что крупные частицы с размерами более 5 мкм в броуновском движении практически не участвуют (они неподвижны), более мелкие частицы (менее 3 мкм) двигаются поступательно по весьма сложным траекториям или вращаются. Когда в среду погружено крупное тело, то толчки, происходящие в огромном количестве, усредняются и формируют постоянное давление. Если крупное тело окружено средой со всех сторон, то давление практически уравновешивается, остаётся только подъёмная сила Архимеда — такое тело плавно всплывает или тонет. Если же тело мелкое, как броуновская частица, то становится заметна разница давления с разных сторон. Эта разность создают заметную случайно изменяющуюся силу, приводящую к колебаниям частицы. Броуновские частицы обычно не тонут и не всплывают, а находятся в среде во взвешенном состоянии.
Жан-Батист Перрен получил Нобелевскую премию за работы по броуновскому движению. В 1905 году Альбертом Эйнштейном была создана молекулярно-кинетическая теория для количественного описания броуновского движения. В частности, он вывел формулу для коэффициента диффузии сферических броуновских частиц [4]. Работа Эйнштейна по теории броуновского движения привела к окончательной победе молекулярно-кинетической теории строения вещества.
Хорошо разработанная за последнее столетие теория броуновского движения является приближенной. И хотя в большинстве практически важных случаев существующая теория даёт удовлетворительные результаты, в некоторых случаях она может потребовать уточнения [4].
В случае тепловой диффузии скорость диффузии называется теплопроводность, в случае потока электрических зарядов — электропроводность [4].
Перенос энергии от более (нагретых тел или) участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия частиц называется теплопроводностью. [5].
При теплопроводности само вещество не перемещается вдоль тела — переносится лишь энергия [1].
Перенос энергии происходит по определённым законам. Так тепло будет в четыре раза быстрее распространяться через стержень диаметром в два сантиметра, чем через стержень диаметром в один сантиметр. Оно быстрее распространяется, если перепад температур на одном сантиметре будет 10 °C вместо 5 °C. Скорость распространения зависит также от конкретного вещества.
В настоящее время считается, что явление теплопроводности обусловлено стремлением объектов выровнять их температуры.
Заключение. Данное исследование было посвящено важной теме курса физики — тепловому движению и его следствиям: диффузии, броуновскому движении, теплопроводности. Собранный материал можно рекомендовать для использования в учебном процессе.
Литература:
- Тит Лукреций Кар. О природе вещей.
- Громов С. В. Физика -7. — М.: Просвещение, 2008.
- Пёрышкин А. В. Физика — 8. –М.: Дрофа, 2010.
- ru.wikipedia.org/wiki/Тепловое_движение
- Пёрышкин А. В., Родина Н. А., Физика — 8. — М.: Просвещение, 1990.
