За долгое время существования физики учеными в этой области было сделано множество открытий, которые, как кажется сейчас, лежали на поверхности. Одним из таких открытий является движение частиц. Скорее всего, исследователи не то чтобы не могли обнаружить его, а даже не задумывались о возможности молекул к движению. Стоит отметить, что и о существовании-то молекул и прочих частиц, а тем более о том, что молекулы состоят из атомов, стало известно относительно недавно, в начале XX века. Примечательно, что еще задолго до этого открытия британский биолог и естествоиспытатель Роберт Броун открыл названное впоследствии в честь него броуновское движение частиц, наблюдая за жидкостью, в которую были погружены пыльцевые зерна. Упоминания о нем встречались еще в стародавние времена, например, в философском сочинении римлянина Тита Лукреция Кара «О природе вещей», повествующего о движении пылевых частиц. Незадолго до задокументированного открытия подобное движение изучалось в лаборатории голландского физика Яна Ингенхауза; он наблюдал за угольными частицами в спирте. Продолжая изучать такой тип движения, ученые открыли основную составляющую всего существующего на планете – молекулы. Как оказалось, молекулы имеют свой тип движения, не связанный с броуновским, так как последнее – это движение видимых, а значит, достаточно крупных частиц. Тем не менее, они тесно взаимосвязаны: броуновское движение – это доказательство подвижности молекул (о еще одном будет сказано позже). Движение отдельных частиц, составляющих одно вещество, будь то молекулы или атомы, называется тепловым. Исходя из названия, можно понять, что чем больше температура окружающей среды, тем активнее будет происходить перемещение частиц.
Что такое движение молекул?
Точный ответ на этот вопрос можно получить, исходя из того, что мы имеем в виду – тепловое движение или броуновское. Тепловое движение молекул характеризуется хаотичной, беспорядочной активностью молекул или атомов, составляющих вещество. В зависимости от температуры и типа вещества (твердое тело, жидкость или газ), меняется и скорость этих движений. Одна характерная скорость может быть выведена из так называемого распределения Максвелла. Оно описывает поведение частиц в идеальном газе. Идеальный газ хорошо подходит для описания общих свойств любых газов при нормальных условиях (привычном давлении и температуре). К сожалению для физиков-практиков, идеального газа в природе не существует, так как согласно определению этой теоретической модели, молекулы в нем должны быть ничтожно малы. Они не должны совершать неупругих столкновений. Упомянутое распределение Максвелла стало фундаментом для кинетической теории газов. Несмотря на то, что само распределение достаточно тяжело понять, оно объясняет простые, повсеместные явления: давление и диффузию.
движение молекул
Броуновское же движение является не столько непосредственным движением молекул, сколько следствием этого движения. По сути, это то же тепловое движение, только наблюдаемое в макромире. Беспорядочно двигающиеся в газе или жидкости маленькие твердые частицы, не превышающие 5 мкм – это доказательство существования броуновского движения. Частица, превышающая указанный диаметр, не сможет двигаться, она будет подвержена действию другой силы – Архимеда, в результате чего либо утонет, либо всплывет. Существует два вида такого движения – вращательное и поступательное. Поступательное движение можно назвать «классическим», оно характеризуется законом Эйнштейна; его описание приведено выше. Второй тип движения, вращательное, имеет несколько иной вид. Оно характеризуется хаотичным движением под воздействием ударов других молекул, показатель квадратичного смещения частицы для него отличен от показателя для первого типа.
Также часто возникает вопрос: какой энергией обладают молекулы вследствие своего движения? Кинетической (за счет самого движения) и потенциальной (обусловленной взаимодействием частиц вследствие движения).
История открытия движения молекул
История открытия движения молекул неразрывно связана с историей создания молекулярно-кинетической теории (звучит она так: термодинамические свойства газа зависят от средней скорости движения атомов или молекул, из которых он состоит). Однако этому открытию предшествовало еще несколько. Закон Бойля-Мариотта был открыт в 1662-м году. Он постановил, что молекулы в газе имеют менее плотную структуру, и могут сжиматься, в отличие от молекул в жидкостях. Важную роль для последующего изучения теплового движения сыграла открытая в конце XVIII века механическая теория теплоты. Бенджамин Томпсон, разработавший эту теорию, установил, что движение частиц (молекул и атомов) в веществе создает ощущение тепла: молекулы под действием внешней силы разогреваются и начинают колебаться. Чем быстрее колебания, тем, соответственно, сильнее будет разогрето тело. После было открыто описанное ранее Броуновское движение. Другим доказательством верности молекулярно-кинетической теории и движения молекул является диффузия. Это процесс, при котором атомы одного вещества проникают в атомы другого. Скорость процесса зависит от температуры и состояния вещества. Что примечательно, диффузия может происходить даже в твердых телах при невысокой температуре, но для этого требуется много времени.
движение молекул в идеальном газе
Большую роль для развития непосредственно МКТ сыграл Михаил Ломоносов. Он и сформировал первоначальную молекулярную гипотезу. Согласно Ломоносову, атомы – это шарики с шероховатыми поверхностями. Такие шарики будут не просто передвигаться, а беспорядочно летать, сталкиваясь друг с другом и начиная при этом вращаться. Еще одним верным предположением Ломоносова оказалось существование абсолютной нулевой температуры, то есть градуса, при котором любые атомы/молекулы прекращают свое движение. Впоследствии выяснилось, что такой температурой считается 0 К или 273°С.
Виды движения молекул
Молекулы подвижны во всех типах вещества. Чем же отличается движение молекул в газах и жидкостях? Самые активные молекулы именно в газах. Это обуславливается тем, что расстояние между молекулами значительно больше их самих, а притяжение между ними пренебрежительно маленькое. Поэтому, занимая в свободном виде большие пространства, они могут быть сжаты до гораздо более маленьких размеров. В то же время, если газ из бутылки выпустить в пустую комнату, он распределится по всему ее пространству равномерно. Такое положение молекул создает давление в газе: частицы летают хаотично и с большой скоростью сталкиваются друг с другом.
виды движения молекул таблица
Молекулы в жидкостях менее активны, однако не просто колеблются, но и могут делать незначительные «перескоки» с места на место. Это происходит довольно часто, а время между такими перескоками называют средним временем оседлой жизни. Нельзя утверждать, что молекулы жидкостей статичны, так как среднее время оседлой жизни обычной молекулы 10-11с, а время непосредственного колебания занимает примерно столько же. Расстояние между мельчайшими частицами воды меньше их размера, связи крепче связей в газах (по всей жидкости они не однородны). Однако с повышением температуры это время увеличивается, связи между молекулами разрываются, они становятся более подвижными.
Чем отличается движение молекул в твердых телах? Они являются самыми постоянными и недвижимыми. Все они имеют строгий порядок (кристаллическую решетку), поэтому иногда некоторые твердые тела называют кристаллическими. Атомы никогда не меняют своего положения, а только совершают небольшие колебания вокруг положения своего равновесия. Расстояние между ними небольшое, а притяжение очень сильное, поэтому твердые тела постоянны в своей форме и объеме.
Скорость и энергия молекул
Скорость движения молекул непосредственно зависит от того, в каком агрегатном состоянии находится вещество, которое эти молекулы составляют. Молекулы в газах расположены очень далеко друг от друга но, несмотря на это, сталкиваются они с невероятной частотой – одна десятимиллиардная секунды. Это происходит из-за их огромной скорости, равной 500 м/с. Однако это очень условно, так как атомы водорода, например, обладают скоростью 1760 м/с, а углекислого газа – 360 м/с.
Как связана температура со скоростью движения молекул? Чем она выше, тем движение быстрее.
температура и скорость нагревания молекул
Молекулы жидкостей не совершают активного движения, однако их колебания также имеют скорость, которая может посостязаться со скоростью многих газов – 650 м/с. Единственными полностью статичными молекулами считаются молекулы твердых тел. Их колебания настолько малы и незначительны, а траектория так необширна, что их скорость можно считать нулевой.
Как и любые другие физические единицы, молекулы имеют свою энергию. Существует множество формул для их расчета, некоторые из которых изучаются в школах, а другие — в университетах. Энергию имеет колеблющаяся молекула, причем как потенциальную, так и кинетическую. Средними являются гармонические колебания, когда первые два вида уравновешиваются. Существующий общий закон распределения энергии среди атомов работает только для мельчайших частиц газов, осуществляющих поступательное движение, и основан на классической механике (не работает при присутствии квантовых эффектов).
Автор: Ксения Бирюкова