Тепловое движение атомов и молекул

В прошлый раз мы с вами говорили о том, что все вещества в природе состоят из мельчайших частиц (атомов, молекул, ионов и так далее), разделённых между собой промежутками. Эти частицы связаны друг с другом силами межмолекулярного взаимодействия.

Так же мы с вами говорили о том, что частицы вещества (атомы, молекулы и ионы) настолько малы, что увидеть их даже с помощью очень сильных оптических микроскопов не предоставляется возможным. Однако существует целый ряд явлений, которые подтверждают дискретность веществ. И самым убедительным из них, является броуновское движение.

Броуновским движением называется непрерывное хаотическое движение мельчайших твёрдых частиц, «взвешенных» в жидкости или газе.

«Взвешенными» частицами принято называть частицы, плотность вещества которых сравнима с плотностью среды, в которой они находятся.

Броуновское движение было открыто в 1827 году английским ботаником Робертом Броуном (отсюда и название движения). В своих опытах Броун с помощью микроскопа изучал мелкие споры цветочной пыльцы плауна́, помещённые в капельку воды. Каково было его удивление, когда он заметил, что каждая частичка пыльцы (её называют броуновской) совершала причудливое зигзагообразное движение, которое не замедлялось ни на секунду.

Вода в капле была неподвижна, так что объяснить движение частиц завихрениями течений в капле не удалось. Кроме того, Роберт Броун обнаружил, что в горячей воде частички движутся быстрее, чем в холодной. Учёный так и не смог объяснить причину этого физического явления. Поэтому изначально он приписал спорам пыльцы свойства живых существ.

Первоначально, как это часто бывало в мире науки, учёные не проявили никакого интереса к результатам опыта Броуна. Лишь в 1863 году немецкий математик Людвиг Кристиан Винер, обобщив результаты многочисленных опытов, предположил, что движение броуновской частицы связано с её столкновением с молекулами жидкости.

При беспорядочном движении молекул передаваемые ими броуновской частице импульсы с разных сторон неодинаковы. Поэтому отлична от нуля результирующая сила давления молекул жидкости на броуновскую частицу. Эта сила и вызывает изменение движения частицы.

Поразительно, но схожее объяснение в своей знаменитой поэме «О природе вещей» дал похожему явлению римский философ Тит Лукреций Кар (а это 60 год до нашей эры): «Посмотрите, что происходит, когда солнечные лучи проникают в здание и проливают свет на его тёмные места. Вы увидите множество крошечных частиц, смешивающихся множеством способов их танец является фактическим указанием на скрытые от нашего взгляда движения материи Они возникают из атомов, которые движутся сами по себе (то есть спонтанно)».

Однако, как это бывало всегда, объяснение броуновского движения Винера не было принято мировым сообществом. Лишь к концу XIX века учёные приняли тот факт, что броуновское движение вызвано соударением частицы с молекулами жидкости (или газа). Но все объяснения строились лишь на качественном уровне. Лишь в 1904 году польский физик Мариан Смолуховский, и в мае 1905 года Альберт Эйнштейн смогли дать строгое объяснение и описать математической формулой движение броуновской частицы.

Таким образом, открытие, сделанное Робертом Броуном, неоспоримо доказало, что все вещества состоят из мельчайших частиц — 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 такое движение частиц ещё называют тепловым движением.

Однако сразу оговоримся, что нельзя смешивать понятия «тепловое движение» и «броуновское движение». Броуновским называется движение видимых взвешенных в веществе частиц; тепловым — движение частиц самого вещества. То есть, тепловое движение является причиной броуновского движения.

А теперь давайте проведём такой опыт. Возьмём два сосуда с водой. Пусть в одном сосуде находится тёплая вода, а в другом — холодная. Бросим в воду несколько кристалликов марганцовки. Уже через несколько минут мы увидим, как вода начинает постепенно окрашиваться в розовый цвет. Причём, заметьте, в тёплой воде окрашивание идёт гораздо быстрее, чем в холодной. О чём нам говорят результаты опыта?

Во-первых, розовый цвет воды указывает на то, что марганцовка растворяется в воде.

Во-вторых, как мы видели, окрашивание воды идёт по всем направлениям. Значит, частицы марганцовки и воды сталкиваются между собой и движутся беспорядочно (хаотически).

В-третьих, окрашивание воды в сосуд с тёплой водой идёт быстрее. Это означает, что в тёплой воде хаотическое движение и столкновения частиц более интенсивны, чем в холодной.

Ну и наконец, перемешивание веществ, проникновение их друг в друга указывает на то, что между частицами есть расстояния.

Давайте вспомним, что явление самопроизвольного взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, называется диффузией. Диффузия возможна не только в жидкостях, но и в газах, а также в твёрдых телах.

Примером диффузии в газах может служить распространение запахов еды по всей квартире. Действительно, мы практически безошибочно можем определить, что готовит мама на кухне находясь в своей комнате.

При этом диффузия в газах идёт значительно быстрее, чем в жидкостях. Почему? Давайте вспомним, что частицы газа далеко удалены друг от друга. И между ними существуют большие промежутки (конечно же в молекулярном масштабе). Сквозь эти промежутки легко перемещаются частицы другого вещества. Поэтому диффузия в газах протекает достаточно быстро.

Намного труднее наблюдать диффузию в твёрдом теле. По этой причине изучение диффузии в твёрдых телах в своё время являлось одним из наиболее интересных исследований в физике. Столетиями рабочие сваривали металлы и получали сталь нагреванием твёрдого железа в атмосфере углерода, не имея ни малейшего представления о происходящих при этом диффузионных процессах. Лишь в 1896 г. началось научное изучение проблемы. Английский металлург Уильям Робертс-Остен в простом эксперименте измерил диффузию золота в свинце. Он наплавил тонкий диск золота на конец цилиндра из чистого свинца длиной в один дюйм (2,45 см) и поместил этот цилиндр в печь, где поддерживалась температура около 200 °С.

Через 10 дней он разрезал цилиндр на тонкие диски и измерил количество золота, которое проникло в каждый срез свинца. Оказалось, что к «чистому» концу через весь цилиндр прошло вполне измеримое количества золота. А в противоположном направлении, в глубь золотого диска, продиффундировал свинец.

Известен и опыт, в котором гладко отшлифованные пластины свинца и золота пролежали друг на друге 5 лет под небольшим прессом. За это время золото и свинец проникли друг в друга на расстояние около 1 мм.

Следует отметить огромную роль диффузии в природе и технике. В неживой природе это непрерывное перемешивание газов в земной атмосфере, не позволяющее более тяжёлым газам собираться в низинах.

Это и минерализация воды, то есть растворение в ней различных неорганических (минеральных) веществ. Чистая, без этих веществ (дистиллированная), вода совершенно безвкусна и практически бесполезна для организмов.

Важна диффузия при переносе питательных веществ и кислорода в растениях и других организмах. Путём диффузии осуществляется газообмен в лёгких и тканях животных. Кислород, содержащийся в воздухе, поступает в кровь, которая доставляет его к клеткам. Углекислый газ из клеток выделяется в кровь, а затем в окружающую среду.

Таким образом мы с вами ещё раз убедились в том, что все вещества состоят из частиц, которые участвуют в непрерывном тепловом движении. Значит, при нагревании вещества тепловое движение его частиц становится более быстрым. А это приводит к увеличению расстояния между частицами и, как следствие, к увеличению размеров тела.

Изменение размеров тела при его нагревании называется тепловым расширением. Тепловое расширение твёрдых тел легко подтвердить опытом. Возьмём медную монетку, два гвоздя и доску. Вобьём гвозди в доску так, чтобы монета еле проходила между ними. А теперь нагреем монетку в пламени свечи или спиртовки и попробуем вновь протянуть монетку между гвоздями. Не пролазит. Это говорит нам о том, что она расширилась. Через некоторое время монетка, остыв, уменьшится в объёме, а гвозди, нагревшись от монетки, расширятся, и монетка вновь пройдёт между ними.

Из опыта следует, что размеры твёрдого тела при нагревании увеличиваются, а при охлаждении — уменьшаются.

При тепловом расширении твёрдых тел появляются огромные силы, которые могут разрушать мосты, изгибать железнодорожные рельсы, разрывать провода. Чтобы этого не случилось, при конструировании того или иного сооружения учитывается тепловое расширение. Например, рельсы на стыках имеют зазор. А провода линий электропередачи не натягивают сильно, чтобы зимой, сокращаясь, они не разорвались.

Следует отметить, что тепловое расширение различных твёрдых тел неодинаково.

Тепловое расширение жидкостей тоже можно продемонстрировать на простом опыте. Вот у нас есть два одинаковых сосуда, в одном из которых находится вода, а во втором — спирт такого же объёма.

Сосуды закроем пробками с трубками. Начальные уровни воды и спирта в трубках отметим резиновыми кольцами. Теперь поставим сосуды в горячую воду. Не трудно заметить, что уровень жидкостей в трубках начинает повышаться. Значит, жидкости при нагревании расширяются. Но уровень в трубке колбы со спиртом выше, чем в трубке колбы с водой. Значит, спирт расширяется больше. Следовательно, тепловое расширение разных жидкостей, как и твёрдых веществ, неодинаково.

И нам осталось проверить, испытывают ли тепловое расширение газы. И вновь обратимся к опыту. Закроем колбу с воздухом пробкой с изогнутой трубкой, в которой находится капля жидкости.

Достаточно приблизить руки к колбе, как капля начинает перемещаться. Это подтверждает тепловое расширение воздуха при его даже незначительном нагревании. Причём, что очень важно, все газы, в отличие от твёрдых веществ и жидкостей, при нагревании расширяются одинаково.