Тепловое движение. Температура

Из химии и физики 7 класса вы знаете, что все вещества имеют дискретное строение. Иными словами, они состоят из мельчайших частиц — атомов и молекул, между которыми существуют промежутки.

Размеры атомов и молекул настолько малы, что увидеть их без сильных электронных микроскопов не удаётся. Но большое количество разнообразных наблюдаемых явлений подтверждают дискретность веществ. Среди них и хорошо знакомое вам явление диффузии — самопроизвольное проникновение одного вещества в другое.

Диффузия в жидкости

Однако самым убедительным доказательством дискретного строения вещества является броуновское движение. Давайте посмотрим, в чем его суть.

Броуновское движение — это беспорядочное движение малых частиц вещества, взвешенных в жидкости или газе.

Взвешенными называются частицы, плотность вещества которых сравнима с плотностью среды, в которой они находятся. При этом размеры этих частиц в тысячу с лишним раз превышают размеры молекул.

Впервые такое движение наблюдал английский ботаник Р. Броун в 1827 г. Он рассматривал движение частиц цветочной пыльцы в воде под микроскопом. Каждая частица пыльцы совершала причудливое зигзагообразное движение.

Броуновское движение

Постепенно становилось понятным, что мельчайшие частички вещества испытывают со всех сторон удары ещё более мелких частиц, которые в микроскоп уже не видны.

Открытое Р. Броуном движение неоспоримо доказало факт того, что все вещества состоят из атомов и молекул. И самое главное, что эти мельчайшие частицы вещества находятся в непрерывном беспорядочном движении, интенсивность которого зависит от температуры вещества. Чем выше температура, тем быстрее двигаются молекулы вещества, и наоборот. Именно поэтому броуновское движение ещё называют тепловым движением.

А что такое температура?

Многие из вас наверняка приведут примеры того, что температура горячей воды больше чем холодной. А кто-то скажет, что температура на улице зимой ниже, чем летом.

Стакан с холодной и горячей водой

Температура — это физическая величина, которая характеризует тепловое состояние тела (степень его «нагретости»).

Однако наши с вами ощущения неоднозначны и зависят от состояния человека и окружающей среды. Так, например, в одной и той же комнате металлические предметы всегда кажутся более холодными, чем деревянные или пластмассовые.

Или вот ещё один пример — опыт, который вы можете провести в домашних условиях. Погрузим на некоторое время одну руку в горячую воду, а другую — в холодную. Теперь, если мы обе руки поместим в воду при комнатной температуре и попытаемся на основании своих ощущений установить, какая в сосуде вода — холодная или горячая, то, на удивление, у нас ничего не получится, поскольку наши ощущения будут разными: рука, которая находилась в горячей воде, будет чувствовать холод, а рука, находившаяся в холодной воде, будет ощущать тепло.

Поэтому, для того, чтобы сделать те или иные выводы о температуре тела, её необходимо измерить. Для измерения температуры используется специальный измерительный прибор — термометр. Его действие основано на зависимости свойств тела от температуры (расширение тел при нагревании и их сжатие при охлаждении).

Термометр

Единицей измерения температуры является градус Цельсия.

Эта единица была названа в честь шведского учёного А. Цельсия, предложившего использовать стоградусную шкалу температур. За 0 ^оС в ней принимается температура тающего льда, а за 100 ^оС — температура кипения воды при нормальных условиях.

Шкала Цельсия

Помимо шкалы Цельсия, существуют и другие температурные шкалы. Например, термометры со шкалой Фаренгейта до сих пор применяют в Англии и Америке. За 0^о в этой шкале была принята температура самой холодной зимы в Голландии в 1709 г., а вторая точка соответствовала нормальной температуре человеческого тела — 98 ^оF.

Шкала Фаренгейта

Во Франции долгое время использовалась шкала Реомюра, которая в настоящее время вышла из употребления.

Шкала Реомюра

В физике, в частности в термодинамике, используется шкала Кельвина. В ней температура отсчитывается от абсолютного нуля — то есть от минимальной теоретически возможной температуры тела. В нашей привычной шкале — шкале Цельсия, эта температура равняется −273,15 ^оС.

Шкала Реомюра

Вы конечно знаете, что при любой температуре вещество, например, вода, состоит из одних и тех же молекул. Иными словами, молекулы холодной воды ничем не отличаются от молекул воды горячей. Но что же тогда меняется в воде при изменении её температуры?

Изменяется скорость движения молекул. Чем быстрее двигаются молекулы в веществе, тем более высокой является температура вещества, и наоборот. Т. е., температура зависит от скорости движения молекул.

Но только ли от скорости молекул зависит температура тела? Например, при средней скорости движения молекул в 440 м/с кислород имеет температуру 20 ^оС, а азот — 16 ^оС. Это обусловлено тем, что молекулы азота легче молекул кислорода. Следовательно, температура зависит и от массы молекул.

В 7 классе вы познакомились с величиной, которая также зависела от скорости и массы — это кинетическая энергия.

Поэтому можно утверждать, что температура является мерой средней кинетической энергии молекул тела.

Теперь выясним каковы особенности броуновского движения в различных агрегатных состояниях вещества.

Вы уже знаете, что расстояние между молекулами у газов достаточно большое, и намного больше чем у жидкостей и твёрдых тел. Но силы взаимодействия между молекулами газа ничтожно малы. Поэтому молекула в газе двигается свободно до момента столкновения с другой молекулой. При столкновении молекула меняет направление своего движения и вновь движется свободно до следующего столкновения. Именно поэтому газы не сохраняют своей формы и занимают весь предоставленный им объём.

Расположение молекул в газе

Тепловое движение молекул жидкости другое. Расстояния между молекулами жидкости намного меньше, чем в газах, а сами молекулы связаны друг с другом силами притяжения и отталкивания. Поэтому они совершают беспорядочные колебания и вращения в одном положении, а также могут перемещаться относительно друг друга.

Расположение молекул в газе

Наличие сил притяжения между молекулами обеспечивает жидкости сохранение объёма, а перемещения — текучесть. Поэтому жидкость и сохраняет свой объем, но не сохраняет форму, а принимает форму того сосуда, в котором она находится.

В твёрдых телах частицы связаны между собой сильнее, чем в жидкостях. Поэтому их тепловое движение главным образом сводится к хаотичному колебанию около своего положения равновесия.

Расположение молекул в газе

Сильное взаимодействие в твёрдом веществе частиц друг с другом, и отсутствие у них подвижности, приводит к тому, что твёрдые тела сохраняют свою форму и объём.