Урок физики по теме «Основные положения молекулярно-кинетической теории и ее опытное подтверждение»
Цель урока — повторить и углубить знания учащихся о строении вещества, развить умение описывать тепловые явления на основе молекулярно-кинетических представлений о строении вещества, убедить учащихся в реальности микромира и возможности его познания, рассмотреть экспериментальные доказательства существования и движения частиц.
Тепловое движение атомов и молекул
Вспомним еще раз формулировку второй теоремы ИКС: частицы материи совершают случайное движение (также называемое тепловым движением), которое никогда не заканчивается.
Экспериментальным доказательством второй теоремы МКТ снова является явление диффузии, поскольку взаимное проникновение частиц возможно только при их непрерывном движении! Однако самым ярким доказательством вечного хаотического движения частиц материи является броуновское движение. Это называется непрерывным хаотическим движением броуновских частиц, то есть частиц или зерен пыли (размером до сантиметра), взвешенных в жидкости.
см), взвешенных в жидкости или газе.
Броуновское движение получило свое название в честь шотландского ботаника Роберта Брауна, который увидел в микроскоп непрерывный танец частиц, таких как пыльца, взвешенных в воде. В качестве доказательства того, что этот механизм был вечным, Браун нашел кусок кварца с полостью, заполненной водой. Несмотря на то, что вода попала туда много миллионов лет назад, частицы, попавшие туда, продолжали свое движение, которое ничем не отличалось от того, что наблюдалось в других экспериментах.
Причина броуновского движения заключается в том, что взвешенная частица испытывает некомпенсированные удары со стороны частиц жидкости (газа), а из-за хаотичного движения частиц величина и направление результирующего удара абсолютно непредсказуемы. Поэтому броуновская частица описывает сложные зигзагообразные траектории (рис. 2).
Рис. 2 Броуновское движение
По сути, броуновское движение можно рассматривать как доказательство самого существования частиц, т.е. оно также может служить экспериментальным доказательством первого положения МКТ.
Взаимодействие частиц вещества
Третий постулат МКТ говорит о взаимодействии частиц материи: атомы или молекулы взаимодействуют друг с другом с помощью притягательных и отталкивающих сил, которые зависят от расстояния между частицами: с увеличением расстояния притягательные силы начинают преобладать, а отталкивающие — уменьшаться.
Упругие силы, возникающие при деформации тел, демонстрируют справедливость третьей теоремы ИКС. Когда тело растягивается, расстояния между его молекулами увеличиваются, и силы притяжения молекул друг к другу начинают преобладать. Когда тело сжимается, расстояние между молекулами уменьшается, и начинают преобладать силы отталкивания. В обоих случаях сила упругости действует в направлении, противоположном деформации.
Дальнейшим доказательством существования сил межмолекулярного взаимодействия является существование трех состояний материи.
В газах молекулы отделены друг от друга расстояниями, значительно превышающими размеры самих молекул (в воздухе при нормальных условиях примерно в 1 000 раз). На таких расстояниях силы взаимодействия между молекулами практически отсутствуют, поэтому газы занимают весь отведенный им объем и легко сжимаются.
В жидкостях зазоры между молекулами сравнимы с их размерами. Силы молекулярного притяжения весьма ощутимы и обеспечивают сохранение объема жидкостей. Однако этих сил недостаточно для сохранения формы жидкости — жидкости, как и газы, принимают форму сосуда.
В твердых телах силы притяжения между молекулами очень велики: твердые тела сохраняют не только объем, но и форму.
Переход вещества из одного состояния материи в другое является результатом изменения величины силы взаимодействия между частицами вещества. Сами частицы остаются неизменными.
Агрегатные состояния веществ
Свободу теплового движения частиц можно наблюдать в жидкостях, поскольку они не имеют центров связывания, что позволяет им перемещаться по всему объему. Это объясняет его текучесть.
Определение 8Когда молекулы расположены близко друг к другу, они могут образовывать упорядоченные структуры с более чем одной молекулой. Это явление называется ближним порядком. Дальний порядок характерен для кристаллических тел.
В газах расстояние между молекулами гораздо больше, поэтому действующие силы малы, и их движение происходит по прямой линии в ожидании следующего столкновения. Значение 10-8 м — это среднее расстояние между молекулами воздуха при нормальных условиях. Поскольку взаимодействие сил слабое, газы расширяются и могут заполнить любой объем сосуда. Когда их взаимодействие стремится к нулю, говорят, что они представляют собой идеальный газ.
Хаотическое движение частиц
Непрерывное хаотическое движение частиц поддерживается броуновским движением и диффузией. Хаотическое движение означает, что частицы не имеют преимущественных путей и их движения имеют случайные направления. Это означает, что все направления одинаково вероятны.
Диффузия (от латинского diffusion — распространение, рассеивание) — это явление, когда в результате теплового движения вещества одно вещество самопроизвольно проникает в другое (если вещества находятся в контакте).
Взаимное смешивание веществ происходит в результате непрерывного и беспорядочного движения атомов или молекул (или других частиц) вещества. Со временем глубина проникновения молекул одного вещества в другое увеличивается. Глубина проникновения зависит от температуры: чем выше температура, тем больше скорость молекул вещества и тем быстрее происходит диффузия.
Диффузия происходит во всех состояниях материи — газах, жидкостях и твердых телах. Примером диффузии в газах является диффузия запахов в воздухе при отсутствии прямого смешивания. Диффузия в твердых телах позволяет соединять металлы при сварке, пайке, хромировании и т.д. В газах и жидкостях диффузия происходит гораздо быстрее, чем в твердых телах.
Опытное обоснование основных положений молекулярно кинетической теории
В 1827 году Р. Браун обнаружил это движение, которое было вызвано случайными ударами и смещениями частиц. Поскольку процесс был хаотичным, удары не могли уравновесить друг друга. Отсюда следует вывод, что броуновская скорость частицы не может быть постоянной, она претерпевает постоянные изменения, а направление движения представлено в виде зигзага, показанного на рисунке 3.1.1.
Рисунок 3.1.1. Траектория Броуновской частицы
Броуновское движение обсуждалось еще в 1905 году, когда A. Эйнштейн. Его теория была подтверждена экспериментами Дж. Перрина, проведенными в 1908-1911 годах.
Определение 3
Определение 4Диффузия — это термин, используемый для описания явления, когда два или более соседних вещества проникают друг в друга.
Этот процесс происходит быстро в гетерогенном газе. На примере диффузии с различными плотностями можно получить однородную смесь. Если кислород O2 и водород H2 находятся в одном сосуде с перегородкой, то при удалении перегородки газы начинают смешиваться, образуя опасную смесь. Этот процесс возможен, если водород находится вверху, а кислород — внизу.
Процессы проницаемости также происходят в жидкостях, но с гораздо меньшей скоростью. Если мы растворим твердое вещество, сахар, в воде, то получим однородный раствор, который является прекрасным примером процессов диффузии в жидкостях. В реальных условиях перемешивание в жидкостях и газах маскируется быстрыми процессами перемешивания, например, конвективными течениями.
Диффузия твердых частиц характеризуется низкой скоростью. Если очистить поверхности взаимодействия металлов, то можно увидеть, что в течение длительного времени на каждой поверхности будут появляться атомы другого металла.
Определение 5.Диффузия и броуновское движение считаются родственными явлениями.
При взаимодействии молекул обоих веществ движение неупорядочено, т.е. имеет место хаотическое тепловое движение молекул.
Броуновское движение
Силы, действующие между двумя молекулами, зависят от расстояния между ними. Молекулы имеют положительные и отрицательные заряды. На больших расстояниях преобладают силы межмолекулярного притяжения, на малых расстояниях преобладают силы отталкивания.
На рисунке 3.1.2 показана зависимость результирующей силы F и потенциальной энергии Ерв, взаимодействующих между молекулами, от расстояния между их центрами. На расстоянии r=r0 сила взаимодействия меняется на нуль. Это расстояние условно принимается за диаметр частицы. При r=r0 потенциальная энергия взаимодействия минимальна.
Рисунок 3.1.2. Сила взаимодействия F и потенциальная энергия взаимодействия Eр двух молекул. F>0 – сила отталкивания, F<0 – сила притяжения.
Определение 6Чтобы отодвинуть две молекулы друг от друга на расстояние r0, необходимо задать E0, называемую энергией связи или глубиной потенциального колодца.
Рисунок 3.1.2.Сила взаимодействия F и потенциальная энергия взаимодействия Ep двух молекул. F>0 — отталкивающая сила, F<0 — притягивающая сила.
Поскольку частицы имеют небольшой размер, простые одноатомные молекулы могут быть размером до 10-10 м. Сложные могут достигать размеров в сотни раз больше.
Определение 7.Неупорядоченное, хаотичное движение молекул называется тепловым движением.
При повышении температуры кинетическая энергия теплового движения увеличивается. При более низких температурах средняя кинетическая энергия в большинстве случаев меньше глубины потенциального колодца E0. В этом случае видно, что частицы втекают в жидкость или твердое тело со средним расстоянием между ними r0. Если при повышении температуры средняя кинетическая энергия молекулы превысит E0, то молекула разойдется и образует газообразное вещество.
В твердых телах частицы движутся беспорядочно вокруг фиксированных центров, или положений равновесия. В пространстве они могут быть распределены нерегулярно (в аморфных телах) или с образованием упорядоченных объемных структур (кристаллические тела).
