Чим відрізняється рух молекул в газах, рідинах і твердих тілах

Різниця між рухом молекул в газах, рідинах і твердих тілах

З курсу шкільної фізики нам відомо, що всі навколо нас, в тому числі і ми самі, складається з найдрібніших частинок - атомів, які, в свою чергу, об'єднані в більш велику форму - молекули. Також всі знають, що ці маленькі "цеглинки світобудови" знаходяться в постійному русі. Однак матерія нашого світу має різне фізичний стан. Основних іпостасей три - тверде, рідке і газоподібне. І, якщо включити логіку, можна прийти до висновку, що дані частинки (в нашому випадку молекули) рухаються в них по-різному. Для того щоб зрозуміти, чим відрізняється рух молекул в газах, рідинах і твердих тілах, слід трохи освіжити в пам'яті основи молекулярно-кінетичної теорії.

Зміст статті

• Теоретична фізика - куди ж без неї
• Льодовиковий період
• Чому вона тече?
• Пар чайника з точки зору науки
• Порівняння

Теоретична фізика - куди ж без неї

Щоб зрозуміти сутність молекулярного руху в різних фізичних середовищах, нам буде потрібно знання ряду нескладних понять:

• положення рівноваги;
• осіле життя молекули;
• потенційна і кінетична енергії;
• агрегатний стан матерії.

Дамо розшифровку цих пунктів.

Світ молекул постійно знаходиться в русі.Воно, навіть якщо і незначно, все одно існує. Не буває "мертвих", нерухомих молекул. Самі малорухливі молекули здійснюють певні коливання близько так званого положення рівноваги. Це слід запам'ятати для кращого розуміння предмета нашого вивчення. Якщо ж молекула переходить (перескакує) з одного положення рівноваги в інше, то це вже вказує на високу рухливість молекулярної маси. До речі, в таких випадках говорять про повну загальну середню часу "осілого життя" молекули. Мається на увазі, скільки часу молекула знаходиться в районі одного положення рівноваги. Це також потрібно відкласти в пам'яті.

Коротко і примітивно про енергії:

• потенційна енергія - енергія, яка характеризується взаємним розташуванням тіл або між частинами одного об'єкта в стані спокою;
• кінетична енергія - енергія тіла під час руху.

Перехід матерії з одного стану в інший називається агрегатним - aggrego (лат.). У перекладі це означає "пов'язую, приєдную". Слід розуміти, що на молекулярному рівні складу речовини залишається тим самим, змінюються лише його фізичні властивості. І ці зміни відбуваються завдяки рухові молекул і тепловим ефектом, його супроводжує.

Для прикладу візьмемо саме повсякденне і найпоширеніша речовина, легко переходить в одне з трьох станів, - воду (рідкий стан). Її молекула включає два хімічні елементи - водень і кисень (H ₂ O), і вона без особливих хитрувань може перетворитися в лід (твердий стан) або пар (газоподібний стан).

Основне фізичний стан молекул H ₂ O у нас на планеті - це вода (рідке). Воно ж є середньою ланкою триетапної ланцюжка перетворень.З цього положення вона може стати льодом або парою. Але лід ніколи не стане парою, минаючи рідкий стан. Хоча б на мить, але він обов'язково перетвориться в воду. Те ж саме відбувається і в зворотному напрямку (пар, вода, лід). Тепер опишемо відмінності руху молекул в газах від рідини і твердих тіл в кожному окремому випадку. Зробимо це за допомогою простого фізичного досвіду. Під першим номером, природно, йде твердий стан як початкове і дає можливість зрозуміти, що відбувається в подальшому. Дістанемо шматок льоду з холодильника і почнемо експеримент.

до змісту ↑

Льодовиковий період

В твердому стані внутрішня структура будь-якої речовини вибудувана в строгу кристалічну форму або, як кажуть вчені, має молекулярну решітку. Само собою, лід не є винятком з правил. Відстань між частинками, складовими "крижану грати", вкрай мало, а рухливість щодо "положення рівноваги" прагне до нуля (хоча однозначно присутня). Чим менше ці величини, тим міцніше і твердіше речовина. Потенційна енергія такого тіла набагато вище, ніж кінетична.

Тверда матерія відрізняється постійним об'ємом і формою. Вона не розтікається і не випаровується. Вона ламається, кришиться, але знову ж таки зберігає при цьому обсяг і форму. Все це можливо тільки завдяки жорсткому зчепленні молекул між собою. Звичайно, мова йде про знаходження льоду в природних умовах. Тепер спробуємо нагріти наш шматок льоду.

до змісту ↑

Чому вона тече?

Ми знаємо, що при підвищенні температури лід починає танути, тобто плавно перетворюватися в воду. А що відбувається всередині "айсберга"? З підвищенням "градуса" в молекулах прокидається наполегливе бажання зміни обстановки.Швидкість їх руху збільшується, і все більше молекул починають залишати насиджені місця і перескакувати в сусідні "положення рівноваги". І чим спекотніше стає, тим менше час "осілого життя" і більше переїздів. Запаси кінетичної енергії починають рости і, нарешті, впритул підбираються за своїми обсягами до її "потенційної сестрі". У якийсь момент настає час ікс - твердий, холодний і непохитний лід переходить в рідкий стан, перетворюючись в таку звичну й улюблену всіма воду. Вона перетікає, розтікається, але, правда, до певних меж.

Незважаючи на сильне ослаблення міжмолекулярних зв'язків, вони все ж досить міцні, щоб не дозволити рідини розвалитися остаточно. Матерія продовжує зберігати обсяг, але чітко виражених, твердих кордонів майже немає. Тобто рідина приймає форму займаного їй простору.

до змісту ↑

Пар чайника з точки зору науки

Отже, ми отримали з льоду воду, але наш експеримент ще не закінчено. Заллємо воду в чайник і поставимо його на газ. Через якийсь час ми побачимо, як з носика чайника починає підніматися тоненька цівка пара, збільшується в об'ємі кожну секунду. Ми досягли своєї останньої мети - зробили з води пар. Але як це сталося? Кинемо уважний погляд на цей процес з боку.

Вода, що знаходиться в чайнику, стрімко нагрівалася. Молекули H ₂ O все більше і більше збільшували швидкість руху. Стрімка і постійна зміна "положень рівноваги" стала нормою. Час "осілого життя" скоротилося до мінімуму. Власна температура води також невблаганно росла. І ось настав мить, коли світовий порядок був повалений і почалася повна анархія.Кінетика остаточно і безповоротно випередила потенційну енергію. Тяжіння між молекулами ослабло до межі, рух хаотично. Вже немає ні форми, ні об'єму. Якщо пар надійде в яку-небудь посудину, то він буде утримуватися в ньому тільки через наявність стінок. Варто їх прибрати, як газоподібна субстанція тут же розсіється в просторі. Що, до речі, ми і спостерігаємо при кипінні чайника.

до змісту ↑

Порівняння

Пора підвести певний підсумок вищевикладеного та систематизувати отримані дані з нашого досвіду в таблицю.

Порівняльна таблиця руху молекул в різних середовищах
твердого середовища	Рідке середовище	газоподібним середовищем
Молекули практично нерухомі. Помітні лише малоістотні коливання близько "положення рівноваги"	Коливання в районі "положення рівноваги" значно вище. Нечасто, але регулярно починають з'являтися "туристи", перескакують з одного положення в інше	Все летить в прірву. Кожна молекула починає жити своїм життям. Девіз один: швидше, вище, сильніше … Повністю хаотичний рух
Існує жорстка кристалічна решітка. Відстань між молекулами вкрай мало і діють потужні сили тяжіння	Матерія втрачає кристалічну структуру і переходить в якесь аморфне стан, в якому міжмолекулярні зв'язки значно ослаблені, але ще достатні, щоб не дати речовини остаточно "розпорошитися"	Немає ніяких зв'язків. Відстані між молекулами можуть бути будь-якими, при цьому вони постійно змінюються. Взаімопрітяженіе відсутня
Час "осілого життя" нескінченно	З'являється межа на час проживання в одному місці, прописка стає "тимчасової"	Немає ніяких "осілих життів" і "положень рівноваги".Всі молекули знаходяться в невпинному і безладному русі
Постійні обсяг і форма. Щоб зруйнувати речовина, потрібно докласти чималих зусиль. Є певна пружність і висока опірність механічній дії	Обсяг продовжує зберігатися, але на підтримку постійної форми вже немає сил. З'являється плинність. Протидія зовнішнім силам (крім сил стиснення) дуже мало	Повна відсутність обсягу і хоча б якоїсь подоби форми. Все розвалюється (випаровується) на очах. Добре піддається стисненню
Потенційна енергія значно вище кінетичної	Рівень кінетичної енергії майже впритул підбирається до її потенційному противазі	Беззастережна влада кінетики, потенційна енергія присутня, але її сила вкрай мала

Ми вважаємо, що тепер розуміння того, в чому різниця між рухом молекул в газах, рідинах і твердих тілах, у наших читачів сформувалося остаточно. Причому зауважимо: вона (різниця) досить істотна, а в деяких моментах і принципова, наприклад в тому, що стосується обсягу і форми. У наведеній статті ми постаралися пояснити суть агрегатного явища у фізиці як можна більш доступно і зрозуміло. Сподіваємося, що у нас це вийшло.