Молекулы и атомы всех веществ находятся в состоянии никогда не прекращающегося движения. Многочисленные наблюдения показали, что при нагревании тел, то есть при подведении дополнительной теплоты, растет их температура. Полученная телом дополнительная энергия идет на увеличение внутренней энергии, которая складывается из кинетической и потенциальной энергий всех молекул вещества.
Хотя молекулы жидкости (или) газа ударяют частицы со всех сторон, но все же их удары не уравновешивают полностью друг друга. Случайно (с какой-то вероятностью) действие ударов на частицу с какой-нибудь стороны окажется несколько сильнее, чем с других сторон, в результате чего частица начнет двигаться в определенном направлении. Затем начнут преобладать удары с другой стороны, и частица начнет двигаться в новом направлении. Результатом является беспорядочное движение частицы. Таким образом, открытие броуновского движения оказалось одним из наиболее непосредственных подтверждений существования молекул.
Математическую модель для описания броуновского движения создал Альберт Эйнштейн в 1905 г. Уравнение Эйнштейна позволяет вычислить коэффициент диффузии сферических броуновских частиц, с помощью которого стало возможным определять смещение частиц за определенное время.
Что такое диффузия
Еще одним ярким доказательством существования молекул, находящихся в состоянии непрерывного теплового движения, является диффузия. Термин диффузия происходит от латинского слова diffusio — растекание, распространение.
Многие эффекты легко объясняются диффузией молекул или атомов одного вещества внутрь другого. Диффузия может происходить в газах, жидкостях и твердых телах. Проникновение молекул одного вещества в другое приводит к самопроизвольному выравниванию концентраций, то есть диффузия имеет направленный (не хаотичный) характер из области с большой концентрацией в область с меньшей концентрацией. Вот несколько примеров, которые объясняются с диффузией молекул:
- Распространения аромата духов или иных запахов (бензина, краски, дыма и т.д.);
- Растворение сахара, соли, кофе в воде;
- Взаимное проникновение атомов металлов, соприкасающихся друг с другом.
Хорошо известен классический опыт, когда пластинку золота плотно сжали с пластинкой свинца, и через пять лет свинец и золото взаимно проникли на глубину в 1 мм.
С ростом температуры скорость диффузии возрастает, что является еще одним подтверждением теплового движения молекул.
Скорость молекул
Молекулы в веществе при любой температуре могут иметь разные скорости. Всегда будет какое-то количество молекул с малыми (почти нулевыми) и очень большими скоростями. Большинство молекул будут иметь среднюю скорость, которая и определит температуру всего вещества. Функция (формула), позволяющая рассчитать сколько молекул из общего числа имеют определенную скорость называется распределением по скоростям. Эту задачу решил английский физик Джеймс Клерк Максвелл.
Из графика этой функции видно, что максимальное число молекул сосредоточено в районе средней скорости.
Например, при температуре 150С средняя скорость молекул азота равна 500 м/с, со скоростями от 300 до 700 м/с движется 59% молекул. С небольшими скоростями — от 0 до 100 м/с — движется только 0,6% молекул. Самых быстрых молекул со скоростями больше 1000м/с в газе только 5,4%.
Таким образом, становится понятно, что называют тепловым движением коллективное, хаотичное, непрерывное перемещение молекул в веществе с разными скоростями. Средняя скорость зависит от температуры. Скорости молекул растут с ростом температуры. Чем больше массы отдельных молекул вещества, тем меньше их скорости.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали кратко о характерных признаках теплового и броуновского движений. Хаотичное, беспорядочное движение является общим признаком этих процессов. Броуновское движение частиц, которые можно наблюдать в микроскоп является следствием теплового движения молекул и атомов, непрерывно “бомбардирующих” частицы (фрагменты) вещества.
