Cosa pensi determini il tasso di dissoluzione dello zucchero nell'acqua? Puoi fare un semplice esperimento. Prendete due pezzi di zucchero e versatene uno in un bicchiere di acqua bollente, l'altro in un bicchiere di acqua fredda.

Vedrai come lo zucchero si dissolve nell'acqua bollente molte volte più velocemente che in acqua fredda. La causa della dissoluzione è la diffusione. Ciò significa che la diffusione avviene più velocemente a temperature più elevate. La diffusione è causata dal movimento delle molecole. Pertanto, concludiamo che le molecole si muovono più velocemente a temperature più elevate. Cioè, la velocità del loro movimento dipende dalla temperatura. Ecco perché il movimento caotico casuale delle molecole che compongono il corpo è chiamato movimento termico.

Moto termico delle molecole

Quando la temperatura aumenta, aumenta moto termico molecole, le proprietà della materia cambiano. Il solido fonde, trasformandosi in un liquido, il liquido evapora, trasformandosi in uno stato gassoso. Di conseguenza, se la temperatura viene abbassata, anche l'energia media del movimento termico delle molecole diminuirà e, di conseguenza, i processi di modifica dello stato di aggregazione dei corpi avverranno nella direzione opposta: l'acqua si condenserà in un liquido, il il liquido si congela, trasformandosi in uno stato solido. Allo stesso tempo, si parla sempre di valori medi di temperatura e velocità molecolare, poiché ci sono sempre particelle con valori sempre più piccoli di questi valori.

Le molecole nelle sostanze si muovono, percorrono una certa distanza, quindi fanno un po' di lavoro. Cioè, possiamo parlare dell'energia cinetica delle particelle. Come risultato del loro posizione relativa c'è anche l'energia potenziale delle molecole. quando in questione sull'energia cinetica e potenziale dei corpi, allora si tratta dell'esistenza dell'energia meccanica totale dei corpi. Se le particelle del corpo hanno energia cinetica e potenziale, quindi, possiamo parlare della somma di queste energie come una quantità indipendente.

Energia interna del corpo

Considera un esempio. Se lanciamo una palla elastica sul pavimento, l'energia cinetica del suo movimento viene completamente convertita in energia potenziale nel momento in cui tocca il pavimento, e poi torna in energia cinetica quando rimbalza. Se lanciamo una palla di ferro pesante su una superficie dura e anelastica, la palla atterrerà senza rimbalzare. Le sue energie cinetiche e potenziali dopo l'atterraggio saranno pari a zero. Dov'è finita l'energia? È appena scomparsa? Se esaminiamo la palla e la superficie dopo la collisione, possiamo vedere che la palla si è leggermente appiattita, è rimasta un'ammaccatura sulla superficie ed entrambi si sono leggermente riscaldati. Cioè, c'è stato un cambiamento nella disposizione delle molecole dei corpi e anche la temperatura è aumentata. Ciò significa che le energie cinetiche e potenziali delle particelle del corpo sono cambiate. L'energia del corpo non è andata da nessuna parte, è passato nell'energia interna del corpo. L'energia interna è chiamata energia cinetica e potenziale di tutte le particelle del corpo. La collisione dei corpi ha causato un cambiamento Energia interna, è aumentato e l'energia meccanica è diminuita. Questo è ciò che consiste

Questa lezione discute il concetto di moto termico e simili quantità fisica come la temperatura.

I fenomeni termici nella vita umana sono di grande importanza. Li incontriamo sia durante le previsioni del tempo che durante l'ebollizione dell'acqua ordinaria. I fenomeni termici sono associati a processi come la creazione di nuovi materiali, la fusione dei metalli, la combustione del carburante, la creazione di nuovi tipi di carburante per automobili e aerei, ecc.

La temperatura è uno dei concetti più importanti associati ai fenomeni termici, poiché spesso è la temperatura la caratteristica più importante del corso dei processi termici.

Definizione.fenomeni termici- si tratta di fenomeni legati al riscaldamento o al raffreddamento dei corpi, nonché al cambiamento del loro stato di aggregazione (Fig. 1).

Riso. 1. Scioglimento del ghiaccio, riscaldamento dell'acqua ed evaporazione

Tutti i fenomeni termici sono associati temperatura.

Tutti i corpi sono caratterizzati dallo stato del loro equilibrio termale. Caratteristica principale l'equilibrio termico è la temperatura.

Definizione.Temperaturaè una misura del "calore" del corpo.

Poiché la temperatura è una grandezza fisica, può e deve essere misurata. Viene chiamato uno strumento utilizzato per misurare la temperatura termometro(dal greco. termo- "caldo", metro- “Misuro”) (Fig. 2).

Riso. 2. Termometro

Il primo termometro (o meglio, il suo analogo) fu inventato da Galileo Galilei (Fig. 3).

Riso. 3. Galileo Galilei (1564-1642)

L'invenzione di Galileo, che presentò ai suoi studenti alle lezioni dell'università alla fine del XVI secolo (1597), fu chiamata termoscopio. Il funzionamento di qualsiasi termometro si basa sul seguente principio: Proprietà fisiche le sostanze cambiano con la temperatura.

L'esperienza di Galileo consisteva in quanto segue: prese una fiaschetta con un lungo stelo e la riempì d'acqua. Poi prese un bicchiere d'acqua e capovolse la fiaschetta, mettendola in un bicchiere. Parte dell'acqua, ovviamente, si è rovesciata, ma di conseguenza è rimasto un certo livello d'acqua nella gamba. Se ora il pallone (che contiene aria) viene riscaldato, il livello dell'acqua cadrà e, se si raffredda, al contrario, aumenterà. Ciò è dovuto al fatto che, se riscaldate, le sostanze (in particolare l'aria) tendono ad espandersi e, una volta raffreddate, si restringono (motivo per cui le rotaie sono discontinue e i fili tra i poli a volte si abbassano un po').

Riso. 4. Esperienza di Galileo

Questa idea ha costituito la base del primo termoscopio (Fig. 5), che ha permesso di stimare la variazione di temperatura (è impossibile misurare con precisione la temperatura con un tale termoscopio, poiché le sue letture dipenderanno fortemente dalla pressione atmosferica).

Riso. 5. Copia del termoscopio di Galileo

Contestualmente è stata introdotta la cosiddetta scala dei gradi. La stessa parola livello in latino significa "passo".

Ad oggi sono sopravvissute tre scale principali.

1. Centigrado

La scala più utilizzata, nota a tutti fin dall'infanzia, è la scala Celsius.

Anders Celsius (Fig. 6) - astronomo svedese, che ha proposto la seguente scala di temperatura: - punto di ebollizione dell'acqua; - punto di congelamento dell'acqua. Al giorno d'oggi, siamo tutti abituati alla scala Celsius invertita.

Riso. 6 Andres Celsius (1701-1744)

Nota: Lo stesso Celsius ha affermato che una tale scelta della scala è stata causata da un semplice fatto: d'inverno, invece, non ci sarebbero state temperature negative.

2. Scala Fahrenheit

Inghilterra, Stati Uniti, Francia, America Latina e in alcuni altri paesi, la scala Fahrenheit è popolare.

Gabriel Fahrenheit (Fig. 7) è un ricercatore tedesco, ingegnere che per primo ha applicato la propria scala alla produzione del vetro. La scala Fahrenheit è più sottile: la dimensione della scala Fahrenheit è inferiore al grado della scala Celsius.

Riso. 7 Gabriel Fahrenheit (1686-1736)

3. Scala Reaumur

La scala tecnica è stata inventata dal ricercatore francese R.A. Reaumur (Fig. 8). Secondo questa scala, corrisponde al punto di congelamento dell'acqua, ma Réaumur ha scelto una temperatura di 80 gradi come punto di ebollizione dell'acqua.

Riso. 8. René Antoine Réaumur (1683-1757)

In fisica, il cosiddetto scala assoluta - scala Kelvin(Fig. 8). 1 grado Celsius è uguale a 1 grado Kelvin, ma la temperatura in corrisponde approssimativamente (Fig. 9).

Riso. 9. William Thomson (Lord Kelvin) (1824-1907)

Riso. 10. Scale di temperatura

Ricordiamo che quando la temperatura corporea cambia, la sua dimensioni lineari(quando riscaldato, il corpo si espande, una volta raffreddato, si restringe). Ha a che fare con il comportamento delle molecole. Quando riscaldate, la velocità di movimento delle particelle aumenta, rispettivamente, iniziano a interagire più spesso e il volume aumenta (Fig. 11).

Riso. 11. Modifica delle quote lineari

Da ciò possiamo concludere che la temperatura è associata al movimento delle particelle che compongono i corpi (questo vale per i corpi solidi, liquidi e gassosi).

Il movimento delle particelle nei gas (Fig. 12) è casuale (poiché le molecole e gli atomi nei gas praticamente non interagiscono).

Riso. 12. Movimento di particelle nei gas

Il movimento delle particelle nei liquidi (Fig. 13) è "saltante", cioè le molecole portano " sedentario vita", ma sono in grado di "saltare" da un luogo all'altro. Questo determina la fluidità dei liquidi.

Riso. 13. Movimento di particelle nei liquidi

Il moto delle particelle nei solidi (Fig. 14) è detto oscillatorio.

Riso. 14. Moto delle particelle nei solidi

Pertanto, tutte le particelle sono in movimento continuo. Questo movimento di particelle è chiamato moto termico(movimento casuale, caotico). Questo movimento non si ferma mai (finché il corpo ha una temperatura). La presenza del moto termico fu confermata nel 1827 dal botanico inglese Robert Brown (Fig. 15), da cui tale moto è chiamato moto browniano.

Riso. 15. Robert Brown (1773-1858)

Ad oggi è noto che il bassa temperatura, che può essere raggiunto è di circa . È a questa temperatura che il movimento delle particelle si interrompe (tuttavia, il movimento all'interno delle particelle stesse non si interrompe).

L'esperienza di Galileo è stata descritta in precedenza e, in conclusione, prenderemo in considerazione un'altra esperienza: l'esperienza dello scienziato francese Guillaume Amonton (Fig. 15), che nel 1702 inventò il cosiddetto termometro a gas. Con piccole modifiche, questo termometro è sopravvissuto fino ad oggi.

Riso. 15. Guillaume Amonton (1663-1705)

Esperienza Amonton

Riso. 16. Esperienza di Amonton

Prendi una fiaschetta con acqua e tappala con un tappo con un tubo sottile. Se ora riscaldi l'acqua, a causa dell'espansione dell'acqua, il suo livello nel tubo aumenterà. In base all'aumento del livello dell'acqua nel tubo, è possibile trarre una conclusione sulla variazione di temperatura. Vantaggio Termometro Amontonè che non dipende dalla pressione atmosferica.

In questa lezione, abbiamo considerato una quantità fisica così importante come temperatura. Abbiamo studiato i metodi della sua misurazione, le caratteristiche e le proprietà. Nella prossima lezione esploreremo il concetto Energia interna.

Bibliografia

1. Gendenstein LE, Kaidalov AB, Kozhevnikov VB / Ed. Orlova VA, Roizena I.I. Fisica 8. - M.: Mnemosine.
2. Peryshkin AV Fisica 8. - M.: Otarda, 2010.
3. Fadeeva AA, Zasov AV, Kiselev DF Fisica 8. - M.: Illuminismo.

1. Portale Internet "class-fizika.narod.ru" ()
2. Portale Internet "school.xvatit.com" ()
3. Portale Internet "ponimai.su" ()

Compiti a casa

1. N. 1-4 (paragrafo 1). Peryshkin AV Fisica 8. - M.: Otarda, 2010.

2. Perché il termoscopio di Galileo non può essere calibrato?

3. Chiodo di ferro riscaldato sul fornello:

Come è cambiata la velocità delle molecole di ferro?

Come cambierà la velocità di movimento delle molecole se l'unghia viene abbassata in acqua fredda?

In che modo questo cambia la velocità delle molecole d'acqua?

Come cambia il volume dell'unghia durante questi esperimenti?

4. Palloncino spostato fuori dalla stanza al freddo:

Come cambierà il volume della palla?

Come cambierà la velocità di movimento delle molecole d'aria all'interno del pallone?

Come cambierà la velocità delle molecole all'interno della sfera se questa viene riportata nella stanza e, inoltre, messa alla batteria?

IV Yakovlev | Materiali sulla fisica | MathUs.ru

Fisica molecolare e termodinamica

Questo manuale è dedicato alla seconda sezione ¾Fisica molecolare. Termodinamica UTILIZZA il codificatore in fisica. Copre i seguenti argomenti.

Moto termico di atomi e molecole di materia. Moto browniano. Diffusione. Evidenze sperimentali della teoria atomistica. Interazione di particelle di materia.

Modelli della struttura di gas, liquidi e solidi.

Modello a gas ideale. Relazione tra pressione ed energia cinetica media del moto termico di molecole di gas ideali. temperatura assoluta. Collegamento della temperatura del gas con l'energia cinetica media delle sue particelle. Equazione p = nkT . Equazione di Clapeyron di Mendeleev.

Isoprocessi: processi isotermici, isocori, isobarici, adiabatici.

Coppie sature e insature. Umidità dell'aria.

Cambiamenti negli stati aggregati della materia: evaporazione e condensazione, ebollizione del liquido, fusione e cristallizzazione. Cambio di energia nelle transizioni di fase.

Energia interna. Bilancio termico. Trasferimento di calore. Quantità di calore. Calore specifico sostanze. Equazione del bilancio termico.

Lavoro in termodinamica. Primo principio della termodinamica.

Principi di funzionamento delle macchine termiche. efficienza del motore termico. Il secondo principio della termodinamica. Problemi di energia e protezione dell'ambiente.

Il manuale contiene anche del materiale aggiuntivo che non è incluso nel codificatore USE (ma è incluso in curriculum scolastico!). Questo materiale permette di comprendere meglio gli argomenti trattati.

1.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.3 Liquidi. . . . . . dieci

	Formule di base della fisica molecolare
	Temperatura
		Sistema termodinamico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		Equilibrio termale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
		scala di temperatura. Temperatura assoluta . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Equazione di stato dei gas ideali
		Energia cinetica media delle particelle di gas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2 L'equazione di base dell'MKT di un gas ideale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

5.3 Energia delle particelle e temperatura del gas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

6.1 Processo termodinamico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

6.2 Processo isotermico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

6.3 Grafici di processo isotermico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

6.4 Processo isobarico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

6.5 Grafici del processo isobarico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

	Processo isocoro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
	Grafici del processo isocoro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7 Vapore saturo

7.1 Evaporazione e condensazione

7.2 equilibrio dinamico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

7.3 Proprietà del vapore saturo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

8.1 Energia interna di un gas ideale monoatomico. . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

8.2 Funzione di stato. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8.3 Cambiamento di energia interna: fare il lavoro. . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8.4 Variazione dell'energia interna: trasferimento di calore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8.5 Conduttività termica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

10 Transizioni di fase

10.1 Fusione e cristallizzazione. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

10.2 Grafico di fusione. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

10.3 Calore specifico di fusione. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

10.4 Grafico di cristallizzazione. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

10.5 Vaporizzazione e condensazione. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

10.6 Bollitura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

10.7 Programma di ebollizione. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

10.8 Curva di condensazione. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11 Primo principio della termodinamica

11.1 Il lavoro di un gas in un processo isobarico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

11.2 Il gas funziona in un processo arbitrario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

11.3 Lavori eseguiti sul gas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

11.4 Primo principio della termodinamica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

11.5 Applicazione del primo principio della termodinamica agli isoprocessi. . . . . . . . . . . . . 46

11.6 processo adiabatico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

12.1 Motori termici. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

12.2 Macchine frigorifere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

13.1 Irreversibilità dei processi in natura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

13.2 Postulati di Clausius e Kelvin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

1 Punti chiave teoria cinetica molecolare

Il grande fisico americano Richard Feynman, autore del famoso corso ¾Feynman Lectures on Physics¿, possiede parole meravigliose:

Se, a seguito di qualche catastrofe globale, tutto si accumulasse conoscenza scientifica verrebbe distrutto e solo una frase passerebbe alle future generazioni di esseri viventi, quindi quale affermazione, composta quantità minima parole, porterebbe la maggior parte delle informazioni? Credo che questa sia un'ipotesi atomica (potete chiamarla non un'ipotesi, ma un fatto, ma questo non cambia nulla): tutti i corpi sono composti da atomi di piccoli corpi che sono in continuo movimento, si attraggono a piccola distanza, ma respingi se uno di loro preme più forte sull'altro. In questa frase. . . contiene un'incredibile quantità di informazioni sul mondo, devi solo metterci un po' di immaginazione e un piccolo pensiero.

Queste parole contengono l'essenza della teoria cinetica molecolare (MKT) della struttura della materia. Vale a dire, le disposizioni principali del MKT sono le seguenti tre affermazioni.

1. Qualsiasi sostanza è costituita dalle più piccole particelle di molecole e atomi. Si trovano discretamente nello spazio, cioè a determinate distanze l'uno dall'altro.

2. Atomi o molecole di materia sono in uno stato di moto casuale 1, che non finisce mai.

3. Gli atomi o le molecole di una sostanza interagiscono tra loro mediante forze di attrazione e repulsione, che dipendono dalle distanze tra le particelle.

Queste disposizioni sono una generalizzazione di numerose osservazioni e fatti sperimentali. Diamo un'occhiata più da vicino a queste disposizioni e diamo loro una giustificazione sperimentale.

1.1 Atomi e molecole

Prendiamo un foglio di carta e iniziamo a dividerlo in parti sempre più piccole. Otterremo pezzi di carta ad ogni passaggio o qualcosa di nuovo apparirà ad un certo punto?

La prima posizione dell'MKT ci dice che la materia non è infinitamente divisibile. Prima o poi arriveremo a ¾ ultima frontiera¿ le particelle più piccole di una data sostanza. Queste particelle sono atomi e molecole. Possono anche essere divisi in parti, ma poi la sostanza originale cesserà di esistere.

Un atomo è la particella più piccola di un dato elemento chimico che conserva tutto il suo Proprietà chimiche. Non ci sono molti elementi chimici, sono tutti riassunti nella tavola periodica.

Una molecola è la particella più piccola di una data sostanza (non essendo un elemento chimico) che conserva tutte le sue proprietà chimiche. Una molecola è composta da due o più atomi di uno o più elementi chimici.

Ad esempio, H2O è una molecola d'acqua composta da due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno. Dividendolo in atomi, non ci occuperemo più di una sostanza chiamata ¾acqua¿. Inoltre, dividendo gli atomi di H e O nelle loro parti componenti, otteniamo un insieme di protoni, neutroni ed elettroni, e quindi perdiamo l'informazione che all'inizio erano idrogeno e ossigeno.

1 Questo movimento è chiamato movimento termico.

La dimensione di un atomo o di una molecola (costituita da un piccolo numero di atomi) è di circa 10 8 cm, un valore così piccolo che l'atomo non può essere visto con nessun microscopio ottico.

Atomi e molecole sono chiamati, in breve, semplicemente particelle di materia. Che cosa sia esattamente una particella, un atomo o una molecola in ogni caso particolare non è difficile da stabilire. Se si tratta elemento chimico, allora la particella sarà un atomo; se considerato sostanza complessa, allora la sua particella è una molecola composta da più atomi.

Inoltre, la prima proposizione del MKT afferma che le particelle di materia non riempiono lo spazio continuamente. Le particelle si trovano in modo discreto, cioè come in punti separati. Tra le particelle ci sono degli spazi vuoti, la cui dimensione può variare entro certi limiti.

Il fenomeno della dilatazione termica dei corpi testimonia a favore della prima posizione del MKT. Vale a dire, quando riscaldato, le distanze tra le particelle della sostanza aumentano e le dimensioni del corpo aumentano. Raffreddandosi, invece, le distanze tra le particelle diminuiscono, per cui il corpo si contrae.

La diffusione, la penetrazione reciproca delle sostanze a contatto l'una nell'altra, è anche una sorprendente conferma della prima posizione dell'MKT.

Ad esempio, in fig. 1 mostra2 il processo di diffusione in un liquido. Le particelle del soluto vengono poste in un bicchiere d'acqua e si trovano prima nella parte superiore sinistra del bicchiere. Nel tempo, le particelle si spostano (diciamo, si diffondono) da una regione ad alta concentrazione a una regione a bassa concentrazione. Alla fine, la concentrazione delle particelle diventa la stessa ovunque; le particelle sono distribuite uniformemente in tutto il volume del liquido.

Riso. 1. Diffusione in un liquido

Come spiegare la diffusione dal punto di vista della teoria cinetica molecolare? Molto semplicemente: le particelle di una sostanza penetrano negli spazi tra le particelle di un'altra sostanza. La diffusione è più veloce, più grandi sono questi spazi vuoti; quindi, i gas si mescolano più facilmente tra loro (in cui le distanze tra le particelle sono molte più taglie particelle stesse).

1.2 Moto termico di atomi e molecole

Ricordiamo ancora una volta la formulazione della seconda proposizione del MKT: le particelle di una sostanza compiono un moto casuale (detto anche moto termico), che non si ferma mai.

La conferma sperimentale della seconda posizione dell'MKT è ancora il fenomeno della diffusione, perché la reciproca penetrazione delle particelle è possibile solo con il loro continuo movimento!

2 Immagine da en.wikipedia.org.

Ma la prova più sorprendente dell'eterno moto caotico delle particelle di materia è il moto browniano. Questo è il nome del movimento casuale continuo di particelle browniane di granelli di polvere o grani (10 5 - 104 cm di dimensione) sospesi in un liquido o gas.

Il moto browniano prende il nome in onore del botanico scozzese Robert Brown, che vide al microscopio la danza continua di particelle di polline sospese nell'acqua. A riprova che questo movimento dura per sempre, Brown ha trovato un pezzo di quarzo con una cavità piena d'acqua. Nonostante il fatto che l'acqua sia arrivata lì molti milioni di anni fa, i granelli che vi sono arrivati ​​hanno continuato il loro movimento, che non era diverso da quanto osservato in altri esperimenti.

Causa moto brownianoè che una particella sospesa subisce impatti non compensati da molecole liquide (gas) e, a causa del movimento caotico delle molecole, l'entità e la direzione dell'impatto risultante sono assolutamente imprevedibili. Pertanto, una particella browniana descrive complesse traiettorie a zigzag (Fig. 2)3.

Riso. 2. Moto browniano

La dimensione delle particelle browniane è 1000-10000 volte la dimensione di un atomo. Da un lato, una particella browniana è abbastanza piccola e continua a "sentire" che un numero diverso di molecole l'ha colpita in direzioni diverse; questa differenza nel numero di impatti porta a notevoli spostamenti della particella browniana. D'altra parte, le particelle browniane sono abbastanza grandi da essere viste al microscopio.

A proposito, il moto browniano può anche essere considerato una prova del fatto stesso dell'esistenza di molecole, cioè può anche servire come prova sperimentale della prima posizione del MKT.

1.3 Interazione di particelle di materia

La terza posizione del MKT parla dell'interazione di particelle di una sostanza: atomi o molecole interagiscono tra loro mediante forze di attrazione e repulsione, che dipendono dalle distanze tra le particelle: all'aumentare delle distanze, le forze di attrazione iniziano a prevalere, con una diminuzione della forza repulsiva.

La validità della terza posizione del MKT è evidenziata dalle forze elastiche derivanti dalle deformazioni dei corpi. Quando un corpo viene allungato, le distanze tra le sue particelle aumentano e le forze di attrazione reciproca delle particelle iniziano a prevalere. Quando un corpo viene compresso, le distanze tra le particelle diminuiscono e, di conseguenza, predominano le forze repulsive. In entrambi i casi, la forza elastica è diretta nella direzione opposta alla deformazione.

3 Immagine dal sito nv-magadan.narod.ru.

Un'altra conferma dell'esistenza di forze di interazione intermolecolare è la presenza di tre stati aggregati della materia.

A Nei gas, le molecole sono separate l'una dall'altra da distanze notevolmente superiori alle dimensioni delle molecole stesse (in aria in condizioni normali, di circa 1000 volte). A tali distanze, le forze di interazione tra le molecole sono praticamente assenti, quindi i gas occupano l'intero volume loro fornito e sono facilmente compressi.

A Nei liquidi, gli spazi tra le molecole sono paragonabili alle dimensioni delle molecole. Le forze di attrazione molecolare sono molto tangibili e garantiscono la conservazione del volume da parte dei liquidi. Ma queste forze non sono abbastanza forti perché anche i liquidi mantengano la loro forma: i liquidi, come i gas, assumono la forma di un recipiente.

A Nei solidi, le forze di attrazione tra le particelle sono molto forti: corpi solidi conservare non solo il volume, ma anche la forma.

Il passaggio di una sostanza da uno stato di aggregazione a un altro è il risultato di un cambiamento nell'entità delle forze di interazione tra le particelle della sostanza. Le particelle stesse rimangono invariate.

Argomenti del codificatore USE: moto termico di atomi e molecole di materia, moto browniano, diffusione, interazione di particelle di materia, evidenze sperimentali di teoria atomistica.

Il grande fisico americano Richard Feynman, autore delle famose Feynman Lectures on Physics, scrisse le seguenti parole straordinarie:

– Se, a seguito di una sorta di catastrofe globale, tutta la conoscenza scientifica accumulata venisse distrutta e una sola frase passerebbe alle future generazioni di esseri viventi, allora quale affermazione, composta dal minor numero di parole, porterebbe il la maggior parte delle informazioni? Penso che lo sia ipotesi atomica(potete chiamarla non un'ipotesi, ma un fatto, ma questo non cambia nulla): tutti i corpi sono costituiti da atomi di piccoli corpi che sono in continuo movimento, si attraggono a breve distanza, ma si respingono se uno di essi è premuto più vicino all'altro. Quella frase... contiene un'incredibile quantità di informazioni sul mondo, devi solo applicare un po' di immaginazione e un po' di considerazione.

Queste parole contengono l'essenza della teoria cinetica molecolare (MKT) della struttura della materia. Vale a dire, le disposizioni principali del MKT sono le seguenti tre affermazioni.

1. Qualsiasi sostanza è costituita dalle particelle più piccole di molecole e atomi. Si trovano discretamente nello spazio, cioè a determinate distanze l'uno dall'altro.
2. Gli atomi o le molecole di una sostanza sono in uno stato di movimento casuale (questo movimento è chiamato movimento termico), che non si ferma mai.
3. Gli atomi o le molecole di una sostanza interagiscono tra loro mediante forze di attrazione e repulsione, che dipendono dalle distanze tra le particelle.

Queste disposizioni sono una generalizzazione di numerose osservazioni e fatti sperimentali. Diamo un'occhiata più da vicino a queste disposizioni e diamo loro una giustificazione sperimentale.

Ad esempio, è una molecola d'acqua composta da due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno. Dividendolo in atomi, non ci occuperemo più di una sostanza chiamata "acqua". Inoltre, dividendo gli atomi e in parti componenti, otteniamo un insieme di protoni, neutroni ed elettroni e quindi perdiamo l'informazione che all'inizio questi erano idrogeno e ossigeno.

Atomi e molecole sono chiamati semplicemente particelle sostanze. Che cosa sia esattamente una particella - un atomo o una molecola - in ogni caso specifico non è difficile da stabilire. Se stiamo parlando di un elemento chimico, allora un atomo sarà una particella; se si considera una sostanza complessa, la sua particella è una molecola composta da più atomi.

Inoltre, la prima proposizione del MKT afferma che le particelle di materia non riempiono lo spazio continuamente. Le particelle sono disposte discretamente, cioè in punti separati. Tra le particelle ci sono degli spazi vuoti, la cui dimensione può variare entro certi limiti.

A favore della prima posizione del MKT c'è il fenomeno dilatazione termica tel. Vale a dire, quando riscaldato, le distanze tra le particelle della sostanza aumentano e le dimensioni del corpo aumentano. Raffreddandosi, invece, le distanze tra le particelle diminuiscono, per cui il corpo si contrae.

È anche una sorprendente conferma della prima posizione dell'MKT diffusione- penetrazione reciproca di sostanze adiacenti l'una nell'altra.

Ad esempio, in fig. 1 mostra il processo di diffusione in un liquido. Le particelle del soluto vengono poste in un bicchiere d'acqua e si trovano prima nella parte superiore sinistra del bicchiere. Nel tempo, le particelle si muovono (come si suol dire, diffondere) da un'area ad alta concentrazione a un'area a bassa concentrazione. Alla fine, la concentrazione delle particelle diventa la stessa ovunque: le particelle sono distribuite uniformemente su tutto il volume del liquido.

Riso. 1. Diffusione in un liquido

Come spiegare la diffusione dal punto di vista della teoria cinetica molecolare? Molto semplicemente: le particelle di una sostanza penetrano negli spazi tra le particelle di un'altra sostanza. La diffusione è più veloce, più grandi sono questi spazi vuoti, quindi i gas si mescolano più facilmente tra loro (in cui le distanze tra le particelle sono molto maggiori delle dimensioni delle particelle stesse).

Moto termico di atomi e molecole

Ricordiamo ancora una volta la formulazione della seconda disposizione del MKT: le particelle di materia compiono un moto casuale (detto anche moto termico) che non si ferma mai.

La conferma sperimentale della seconda posizione dell'MKT è ancora il fenomeno della diffusione, perché la reciproca penetrazione delle particelle è possibile solo con il loro continuo movimento! Ma la prova più sorprendente dell'eterno movimento caotico delle particelle di materia è Moto browniano. Questo è il nome del continuo movimento irregolare particelle browniane- particelle di polvere o grani (dimensioni cm) sospesi in un liquido o gas.

Il moto browniano prende il nome in onore del botanico scozzese Robert Brown, che vide al microscopio la danza continua di particelle di polline sospese nell'acqua. A riprova che questo movimento dura per sempre, Brown ha trovato un pezzo di quarzo con una cavità piena d'acqua. Nonostante il fatto che l'acqua sia arrivata lì molti milioni di anni fa, i granelli che vi sono arrivati ​​hanno continuato il loro movimento, che non era diverso da quanto osservato in altri esperimenti.

La ragione del moto browniano è che una particella sospesa subisce impatti non compensati da molecole liquide (gas) e, a causa del movimento caotico delle molecole, l'entità e la direzione dell'impatto risultante sono assolutamente imprevedibili. Pertanto, una particella browniana descrive complesse traiettorie a zigzag (Fig. 2).

Riso. 2. Moto browniano

A proposito, il moto browniano può anche essere considerato una prova del fatto stesso dell'esistenza di molecole, cioè può anche servire come prova sperimentale della prima posizione del MKT.

Interazione di particelle di materia

La terza posizione del MKT parla dell'interazione di particelle di materia: atomi o molecole interagiscono tra loro mediante forze di attrazione e repulsione, che dipendono dalle distanze tra le particelle: all'aumentare delle distanze, iniziano a predominare le forze di attrazione e, al diminuire delle distanze, le forze repulsive.

La validità della terza posizione del MKT è evidenziata dalle forze elastiche derivanti dalle deformazioni dei corpi. Quando un corpo viene allungato, le distanze tra le sue particelle aumentano e le forze di attrazione reciproca delle particelle iniziano a prevalere. Quando un corpo viene compresso, le distanze tra le particelle diminuiscono e, di conseguenza, predominano le forze repulsive. In entrambi i casi, la forza elastica è diretta nella direzione opposta alla deformazione.

Un'altra conferma dell'esistenza di forze di interazione intermolecolare è la presenza di tre stati aggregati della materia.

Nei gas, le molecole sono separate l'una dall'altra da distanze notevolmente superiori alle dimensioni delle molecole stesse (in aria in condizioni normali, di circa 1000 volte). A tali distanze, le forze di interazione tra le molecole sono praticamente assenti, quindi i gas occupano l'intero volume loro fornito e sono facilmente compressi.

Nei liquidi, gli spazi tra le molecole sono paragonabili alle dimensioni delle molecole. Le forze di attrazione molecolare sono molto tangibili e garantiscono la conservazione del volume da parte dei liquidi. Ma queste forze non sono abbastanza forti da permettere ai liquidi di preservare la loro forma: i liquidi, come i gas, assumono la forma di un recipiente.

Nei solidi, le forze di attrazione tra le particelle sono molto forti: i solidi conservano non solo il volume, ma anche la forma.

Il passaggio di una sostanza da uno stato di aggregazione a un altro è il risultato di un cambiamento nell'entità delle forze di interazione tra le particelle della sostanza. Le particelle stesse rimangono invariate.

 Teoria: Atomi e molecole sono in continuo movimento termico, si muovono in modo casuale, cambiano costantemente direzione e modulo di velocità a causa delle collisioni.

Maggiore è la temperatura, maggiore è la velocità delle molecole. Al diminuire della temperatura, la velocità delle molecole diminuisce. C'è una temperatura, che si chiama "zero assoluto" - la temperatura (-273 ° C) alla quale si interrompe il movimento termico delle molecole. Ma lo "zero assoluto" è irraggiungibile.
Il moto browniano è il movimento casuale di particelle microscopiche di materia solida visibili sospese in un liquido o gas, causato dal movimento termico di particelle di un liquido o gas. Questo fenomeno fu osservato per la prima volta nel 1827 da Robert Brown. Ha studiato il polline delle piante, che era nell'ambiente acquatico. Brown ha notato che il polline si sposta continuamente nel tempo e maggiore è la temperatura, maggiore è la velocità di spostamento del polline. Ha suggerito che il movimento del polline è dovuto al fatto che le molecole d'acqua colpiscono il polline e lo fanno muovere.

La diffusione è il processo di penetrazione reciproca delle molecole di una sostanza negli spazi tra le molecole di un'altra sostanza.

Un esempio di moto browniano è
1) movimento casuale del polline in una goccia d'acqua
2) movimento casuale dei moscerini sotto la lanterna
3) scioglimento solidi nei liquidi
4) penetrazione nutrienti dal suolo alle radici delle piante
Soluzione: dalla definizione di moto browniano, è chiaro che la risposta corretta è 1. Il polline si muove in modo casuale a causa del fatto che le molecole d'acqua lo colpiscono. Il movimento irregolare dei moscerini sotto la lampada non è adatto, poiché i moscerini stessi scelgono la direzione del movimento, le ultime due risposte sono esempi di diffusione.
Risposta: 1.

Compito Oge in fisica (risolverò l'esame): Quale delle seguenti affermazioni è/sono corretta?
R. Molecole o atomi in una sostanza sono in continuo movimento termico e uno degli argomenti a favore è il fenomeno della diffusione.
B. Molecole o atomi nella materia sono in continuo movimento termico, e la prova di ciò è il fenomeno della convezione.
1) solo A
2) solo B
3) sia A che B
4) né A né B
Soluzione: La diffusione è il processo di penetrazione reciproca delle molecole di una sostanza negli spazi tra le molecole di un'altra sostanza. La prima affermazione è vera, la Convenzione è il trasferimento di energia interna con strati di liquido o gas, si scopre che la seconda affermazione non è vera.
Risposta: 1.

Compito Oge in fisica (fipi): 2) Una palla di piombo viene riscaldata alla fiamma di una candela. Come cambia il volume del palloncino durante il riscaldamento? velocità media il movimento delle sue molecole?
Stabilire una corrispondenza tra le grandezze fisiche e le loro possibili variazioni.
Per ciascun valore, determinare la natura appropriata della modifica:
1) aumenta
2) diminuisce
3) non cambia
Scrivi nella tabella i numeri selezionati per ogni grandezza fisica. I numeri nella risposta possono essere ripetuti.
Soluzione (grazie a Milena): 2) 1. Il volume della palla aumenterà a causa del fatto che le molecole inizieranno a muoversi più velocemente.
2. La velocità delle molecole quando riscaldate aumenterà.
Risposta: 11.

Lavoro dimostrativo Opzione OGE 2019: Una delle disposizioni della teoria cinetica molecolare della struttura della materia è che "le particelle di materia (molecole, atomi, ioni) sono in continuo movimento caotico". Cosa significano le parole "movimento continuo"?
1) Le particelle si muovono sempre in una certa direzione.
2) Il movimento delle particelle di materia non obbedisce ad alcuna legge.
3) Le particelle si muovono tutte insieme in una direzione o nell'altra.
4) Il movimento delle molecole non si ferma mai.
Soluzione: Le molecole si muovono, a causa delle collisioni, la velocità delle molecole cambia costantemente, quindi non possiamo calcolare la velocità e la direzione di ciascuna molecola, ma possiamo calcolare la velocità quadratica media delle molecole, ed è correlata alla temperatura, poiché la temperatura diminuisce, la velocità delle molecole diminuisce. Si calcola che la temperatura alla quale il movimento delle molecole si fermerà sia -273 °C (la temperatura più bassa possibile in natura). Ma non è realizzabile. quindi le molecole non smettono mai di muoversi.