Основы молекулярно-кинетической теории
Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) объясняет наблюдаемые свойства вещества через его микроскопическое строение: частицы движутся, взаимодействуют и сталкиваются. Поэтому давление газа, диффузия, испарение и зависимость температуры от нагревания становятся следствиями движения молекул.
Основные представления МКТ
Вещество состоит из огромного числа частиц — молекул, атомов или ионов. Размеры частиц очень малы по сравнению с расстояниями, на которых мы наблюдаем свойства тела, поэтому отдельные молекулы обычно не видны. Между частицами есть промежутки, а сами частицы непрерывно и беспорядочно движутся.
МКТ — физическая теория, связывающая свойства вещества и тепловые явления с движением и взаимодействием частиц, из которых состоит вещество.
1) Все вещества состоят из частиц. 2) Частицы находятся в непрерывном хаотическом движении. 3) Частицы взаимодействуют друг с другом: притягиваются на сравнительно больших расстояниях и отталкиваются при очень малом сближении.
Эти положения нельзя понимать как утверждение, что частицы всегда движутся с одинаковой скоростью. В газе они летят между столкновениями почти прямолинейно, в жидкости перемещаются, постоянно меняя направление, а в твёрдом теле в основном колеблются около положений равновесия. Подробнее исходные идеи собраны на странице постулаты МКТ, а характер движения частиц — на странице тепловое движение.
Как проявляется движение частиц
Одно из главных наблюдаемых явлений — диффузия, то есть взаимное проникновение частиц одного вещества между частицами другого. Если капнуть чернила в воду, окраска постепенно распространится по всему объёму даже без перемешивания. Диффузия происходит в газах, жидкостях и твёрдых телах, но быстрее всего — в газах, потому что расстояния между частицами там больше.
Скорость диффузии увеличивается при повышении температуры: частицы движутся быстрее и чаще меняют положения. На скорость также влияют агрегатное состояние, размер частиц и свойства веществ. Запах духов распространяется по комнате именно благодаря движению молекул газа.
Броуновское движение — беспорядочное движение маленьких частиц, взвешенных в жидкости или газе. Оно возникает потому, что молекулы среды ударяют по частице с разных сторон не одновременно. Если частица достаточно мала, результат множества ударов заметен как зигзагообразное движение.
Температура и энергия движения
Температура характеризует степень нагретости тела и связана со средней кинетической энергией хаотического движения его частиц. При нагревании средняя скорость движения молекул увеличивается, при охлаждении — уменьшается. Однако температура не показывает энергию одной конкретной молекулы: в веществе частицы имеют разные скорости.
Средняя кинетическая энергия — среднее значение энергии движения большого числа частиц. Для одной молекулы она определяется массой и скоростью: \(E_к=\frac{mv^2}{2}\).
Связь температуры с движением частиц рассматривается подробнее в теме средняя кинетическая энергия молекул. Масса отдельной частицы и способы её вычисления разобраны на странице масса молекулы.
Важно различать температуру и количество теплоты. Температура показывает, насколько интенсивно в среднем движутся частицы, а количество теплоты — энергию, переданную телу при теплообмене. Два тела могут иметь одинаковую температуру, но разное количество внутренней энергии, если отличаются их массы или вещества.
Как изменится скорость диффузии сахара в воде при повышении температуры воды?
Почему газ оказывает давление
Молекулы газа непрерывно ударяются о стенки сосуда. При каждом ударе стенка получает небольшой импульс, а огромное число ударов за единицу времени создаёт заметную силу. Давление — это сила, действующая перпендикулярно поверхности, отнесённая к площади этой поверхности.
Давление \(p\) — физическая величина, равная отношению перпендикулярной силы \(F\) к площади поверхности \(S\).
Единица давления в СИ — паскаль: \(1\ \text{Па}=1\ \text{Н}/\text{м}^2\). Давление газа увеличивается, если молекулы чаще или сильнее ударяются о стенки. Это происходит при повышении температуры в сосуде постоянного объёма или при уменьшении объёма при неизменной температуре. Микроскопическое объяснение давления подробно рассматривается в основном уравнении МКТ, а практические примеры — в теме давление газа.
Газ давит на стенку площадью \(0{,}03\ \text{м}^2\) с давлением \(200\ \text{кПа}\). Найдите силу давления. Ответ: \(F=6000\ \text{Н}\). При решении важно перевести килопаскали в паскали и использовать площадь именно в квадратных метрах.
МКТ и агрегатные состояния
В газах частицы находятся далеко друг от друга, силы притяжения обычно невелики, поэтому газ не сохраняет ни форму, ни объём и заполняет весь сосуд. В жидкостях частицы расположены ближе: жидкость сохраняет объём, но принимает форму сосуда. В твёрдых телах частицы удерживаются около устойчивых положений, поэтому тело сохраняет форму и объём.
| Состояние | Движение частиц | Сохраняемые свойства |
|---|---|---|
| Газ | Свободное хаотическое движение между столкновениями | Не сохраняет форму и объём |
| Жидкость | Перемещение с частыми столкновениями | Сохраняет объём, но не форму |
| Твёрдое тело | Колебания около положений равновесия | Сохраняет форму и объём |
При плавлении, испарении и других превращениях расстояния между частицами и характер их движения меняются. Сами частицы вещества при обычных фазовых переходах не исчезают и не превращаются в частицы другого вещества.
Не говорите, что молекулы газа «неподвижны» или что между ними нет сил. В газе частицы движутся непрерывно, а силы взаимодействия проявляются особенно заметно при столкновениях и сближении. Не путайте давление \(p\) и силу \(F\): давление зависит ещё и от площади \(S\). Нельзя подставлять площадь в сантиметрах квадратных, если остальные единицы записаны в СИ.
Сначала назовите частицы, затем их движение или взаимодействие, а после этого свяжите микроскопическую причину с наблюдаемым результатом. Например: «молекулы газа движутся и ударяются о стенки — возникает давление».
Проверка усвоения
Быстрый тест
Главное
- Вещество состоит из частиц, которые непрерывно движутся и взаимодействуют.
- Диффузия и броуновское движение подтверждают движение частиц.
- Температура связана со средней кинетической энергией хаотического движения молекул.
- Давление газа создаётся ударами молекул о стенки сосуда и определяется формулой \(p=\frac{F}{S}\).
- Различия между газом, жидкостью и твёрдым телом объясняются расстояниями между частицами и характером их движения.