§ 2. Експериментальне підтвердження теплового руху. Взаємодія атомів і молекул

При змішуванні речовин відбувається взаємне проникнення частинок однієї речовини у проміжки між частинками іншої речовини.

Експериментальними доказами існування теплового руху у газах, рідинах і твердих тілах є явища дифузіїта броу-нівського руху.

► 1. Дифузія. Найпростішим прикладом дифузії є поширення запаху летких ароматичних речовин. Але як і чому це відбувається? Ви вже знаєте, що між частинками речовин є проміжки. Найбільші вони - між частинками у газах, найменші - між частинками у твердих тілах. Якщо змішати дві речовини, то, внаслідок теплового руху молекул, частинки однієї речовини почнуть заповнювати простори між частинками іншої речовини (рис. 3).

Отже, дифузія - це явище взаємного проникнення частинок однієї речовини у проміжки між частинками іншої внаслідок теплового руху частинок речовини.

Найшвидше дифузія відбувається у газах, повільніше - у рідинах, ще повільніше - у твердих тілах. Це зумовлено особливостями теплового руху частинок у цих середовищах. Приклад дифузії в газах - це швидке поширення в повітрі пахощів парфумів та інших речовин. Зафарблення води в склянці, на дно якої опущено крупинки розчинної кави або пакетик чаю - це приклад дифузії в рідинах.

Відмінність у характері руху молекул

у твердому, рідкому і газоподібному станах зумовлює різну швидкість протікання дифузії. Адже щоб аромат парфумів поширився кімнатою, потрібно кілька хвилин. Якщо налити у посудину води, а потім акуратно, щоб не відбулось змішування, долити розчин акварельної фарби, то молекули однієї рідини повністю дифундують між молекулами іншої лише через 2-3 дні (рис. 4).

Спостерігати явище дифузії у твердих тілах складніше, але можливо. Зокрема, загальновідомий дослід, у якому гладенько відшліфовані свинцеву і золоту пластинки, притерті і притиснуті за допомогою тягаря, за 5 років взаємно проникають одна в одну на відстань близько 1 мм.

Явище дифузії відбуватиметься швидше, якщо ми будемо нагрівати речовини. Так, наприклад, цинк дифундує у мідь при температурі 300°С майже в 100 мільйонів разів швидше, ніж при кімнатній температурі! Всім вам також відомо, що у гарячій воді цукор і сіль розчинюються швидше, ніж у холодній.

Висловіть свою думку.

З підвищенням температури перебіг дифузії прискорюється. Як можна пояснити таку залежність на підставі уявлень про тепловий рух частинок речовини?

► 2. Броунівський рух.

У 1827 р. англійський ботанік Роберт Броун (1773 - 1858 рр.) досліджував за допомогою мікроскопу рухи дрібних

частинок квіткового пилку у воді. Внаслідок малих розмірів таких частинок, вони не осідали під дією сили тяжіння, а тому одержали назву завислих частинок. Броун встановив, що рухи завислих частинок є безладними, неперервними і не припиняються з часом. Крім того, йому вдалося зафіксувати зростання швидкості руху завислих частинок з підвищенням температури та зменшенням розмірів частинок. Відкритий Броуном рух був названий на його честь броунівським рухом. Невдовзі було встановлено, що такий рух здійснюють будь-які частинки, якщо тільки їх розміри достатньо малі.

Природа броунівського руху протягом тривалого часу залишалася нез’ясованою. Численні спроби пояснити броунівський рух зовнішніми впливами, зокрема, освітленням або встря-хуванням, не витримували дослідної перевірки. Спочатку Броун пов’язував це явище з життєвими процесами завислих частинок, оскільки вважав, що вони - живі. Але пізніше він сам встановив, що броунівський рух властивий частинкам як органічного, так й неорганічного походження.

Отже, броунівський рух - це неперервний, безладний рух частинок, завислих у рідині (або газі).

У 1905-1909 рр. було остаточно доведено, що броунівський рух є проявом теплового руху атомів і молекул.

Хаотичний руху завислих частинок можна також спостерігати в освітленій

збоку області запиленого повітря або диму. У цьому випадку роль броунів-ських частинок відіграють окремі пилинки або часточки диму.

Як    пояснити виникнення

броунівського руху? Він зумовлений поштовхами, яких зазнають завислі частинки з боку оточуючих молекул, що перебувають у тепловому русі. Оскільки тепловий рух молекул є хаотичним, то поштовхи молекул об завислу частинку не врівноважуються (рис. 5, а). Внаслідок цього завислі частинки рухаються по складних ламаних лініях (рис. 8). Відповідно, броунівський рух теж є хаотичним. Важливою особливістю броунівського руху є також його самочинність. Він існує, не потребуючи зовнішніх впливів, а тому може продовжуватися як завгодно довго. Швидкість броунівського руху залежить від температури, але поняття броунівського руху і теплового руху атомів і молекул не слід ототожнювати. Броунівський рух є лише результатом та підтвердженням теплового руху частинок речовини.

► 3. Моделювання у фізиці - особливий метод пізнання. За допомогою моделей можна відобразити той чи інший фізичний об’єкт, але лише наближено. Незважаючи на це, моделі допомагають одержати відомості про особливості того або іншого об’єкта (явища) і встановити не лише його якісні, але й кількісні характеристики. Розглянемо це на прикладі броунівського руху.

Броунівський рух не можна побачити неозброєним оком, але його можна змо-делювати. Прилад, за допомогою якого моделюють броунівський рух частинки, має назву механічної моделі броунів-ського руху (рис. 5, б). За допомогою цієї механічної моделі отримують хаотичний рух невеличкої шайби внаслідок ·—· · ·

π співударів з великим числом значно менших дробинок, які рухаються безладно. Цей рух проектують на екран і спостерігають ефект броунівського руху. ► 4. Як взаємодіють частинки речовини? Взаємне притягання і взаємне відштовхування атомів і молекул.

Розглядаючи попередні питання, ви ще раз повторили, що речовини складаються з частинок, між якими є проміжки; частинки безперервно хаотично рухаються і взаємодіють між собою. Дослідних фактів, що підтверджують ці положення, досить багато. З’ясуємо, які фізичні властивості тіл залежать від характеру руху і взаємодії молекул, і який вплив чинять на рух і взаємодію молекул зовнішні фактори.

Напевно у вас виникло запитання: якщо молекули відокремлені проміжками і перебувають у безперервному безладному русі, то чому тверді тіла та рідини не розпадаються на окремі молекули? Більше того, тверді тіла достатньо важко розтягнути або розламати.

Річ у тім, що між атомами та молекулами існують сили взаємного притягання:кожна молекула притягує до себе сусідні молекули й сама притягується до

них. Притягання між молекулами стає помітним лише тоді, коли молекули перебувають дуже близько одна від одної (на відстанях, порівняних з розмірами самих молекул). Це підтверджує дослід із свинцевими циліндрами, які після притиснення їх відполірованими свіжими зрізами витримують значний розтяг (рис. 6). На відстанях, трохи більших за розміри самих молекул, притягання між молекулами значно слабшає.

Погодьтеся, виникає ще одне запитання: якщо між молекулами існує притягання, то чому між ними є проміжки? Тобто, чому молекули, притягуючись одна до одної, не «злипаються»? Відповідь полягає ось у чому: між молекуламиодночасно із взаємним притяганням існує взаємне відштовхування. Коли молекули зближуються між ними, помітніше проявляється притягання між ними. При подальшому зближенні молекул між ними починає більше проявлятися відштовхування. Прикладів які підтверджують такі міркування - дуже багато. Зокрема, стиснуті тіла відновлюють форму, оскільки під час стискання ми зближуємо молекули до таких відстаней, що вони починають відштовхуються одна від одної. При деформації розтягу відстані між молекулами збільшуються і сили притягання починають переважати.

Як ви вже знаєте з курсу фізики 7-го класу, одним із творців теорії будови речовини був видатний російський вчений Михайло Васильович Ломоносов. Але цікавим є той факт, що з жовтня 1734 р. і, вірогідно, до кінця 1735 р. М. Ломоносов перебував у Києво-Могилянській академії, де працював в архіві і досліджував літописи та філософські праці. На той час Києво-Могилянська академія мала славу найвідомішого в Європі освітнього й культурного центру. Саме в Києво-Могилянській академії найкраще було розроблено теорію поезії й ораторського мистецтва, мав місце високий рівень викладання латині, філософії і вищої математики. Уже в ті часи чи не вперше в Європі в Києво-Могилянській академії здійснювалося викладання фізики як окремого навчального предмету.

Подумайте і дайте відповідь

1.    Назвіть фізичні явища, які є експериментальним підтвердженням теплового руху атомів і молекул.

2.    Що таке дифузія? Як відбувається процес дифузії? Наведіть приклади того, як ви використовуєте дифузію в побуті.

3.    Яке значення має дифузія для організму людини?

4.    Які особливості дифузії в твердих тілах, рідинах, газах? Як можна змінити швидкість дифузії?

5.    Що таке броунівський рух? Результатом якого руху є броунівський рух? Назвіть закономірності броунівського руху.

6.    Чому моделювання відіграє у фізиці важливу роль?

7.    Поясніть, чому речовини не розпадаються на окремі молекули і атоми.

8.    У чому проявляється взаємодія між атомами і молекулами? Які два види міжмолекулярних сил ви знаєте? Наведіть приклади прояву сил притягання та сил відштовхування між молекулами.

Розв’яжіть задачі та оцініть результати

Вправа 2.

1.    Для надання сталевим виробам більшої твердості їх поверхневий шар насичують карбоном (цементування), азотом (азотування), алюмінієм (алітування). Чому процес насичення відбувається при високих температурах?

2.    На рисунку 7 показано шлях хаотичного руху завислої у воді частинки смоли діаметром 0,9 мкм від початку (положення 1) до кінця спостережень (положення 2). Положення частинки фіксувалось через кожні ЗО с. Користуючись цим рисунком, визначте середній пробіг броунівської частинки за ЗО с у міліметрах і метрах. Для цього скористайтеся масштабом, поданим на рисунку.

3.    Опишіть фізичний механізм засвоєння коренями рослин потрібних їм речовин з грунту.

4.    Земля оточена атмосферою - повітряною оболонкою, яка представляє собою суміш декількох газів (азота, кисню, аргона, вуглекислого газу, парів води та інших). Молекули цих газів мають різну масу. Поясніть, чому ж тоді внаслідок різної сили тяжіння, що діє на молекули газів, всі складові частини атмосфери не є розшарованими.

5.    На рис. 6 показано дослід із свинцевими циліндрами, які після притиснення їх відполірованими свіжими зрізами витримують значний розтяг. Поясніть, чому такий дослід виконується саме зі свинцевими циліндрами, а не, наприклад, зі сталевими.

Це матеріал з підручника Фізика 8 клас Шут