Число столкновений и средняя длина свободного пробега молекул

Средняя скорость движения молекул, как мы видели, при обычных условиях чрезвычайно велика. Между тем наблюдения за диффузией показывают, что это явление, даже в газах, частицы которых наиболее подвижны, протекает сравнительно медленно.

Известно, например, что если пролить где-нибудь в комнате духи, то запах от них, который вызывается испарением и диффузией духов в воздух, не очень быстро распространяется по всей комнате.

Не опровергает ли медленный процесс диффузии то, что было сказано о больших скоростях молекул? Нет, не опровергает. Дело в том, что каждая молекула газа при движении испытывает на своем пути огромное число столкновений с другими молекулами. Подсчитано, что в среднем каждая молекула азота, например, при 0°С и давлении в 2 ат сталкивается в течение секунды с другими молекулами около 7,5 миллиарда раз. Поэтому её «свободный пробег», т. е. средняя длина пути, проходимого от одного столкновения до другого, крайне мал.

Подробнее...

Число молекул в единице объёма вещества

Размеры молекул. В мире молекул, или, как принято говорить, в микромире, мы встречаемся с очень большими количествами очень малых частиц. Различными способами (они изучаются в высшей школе) найдено, что в 1 см3 любого газа при нормальных условиях (0°С и 760 мм рт. ст.) содержится около 2,7 · 1019 молекул.

Чтобы представить себе, насколько велико это число, рассмотрим следующие примеры.

Представим себе ампулу ёмкостью в 1 см3. Допустим, что ампула пуста. Каким-либо образом пробьём в ампуле тончайшее отверстие, такое, чтобы через него в 1 сек могло проникать внутрь ампулы по 100 млн. молекул воздуха. Спрашивается, сколько времени понадобится, чтобы таким путём наполнить ампулу до нормальной плотности?

Подсчёт показывает, что для этого нужно будет около 9000 лет.

Другой пример. Если взять число кирпичей, равное числу молекул в 1 см3 газа при нормальных условиях, то, будучи плотно уложены, эти кирпичи покрыли бы поверхность всей суши земного шара слоем высотой в 120 м, т. е. высотой, превосходящей почти в 4 раза высоту 10-этажного дома.

Подробнее...

Молекулярно-кинетическая теория

Молекулярно-кинетической теорией называется учение, объясняющее свойства тел взаимодействием и движением молекул и атомов.

Основные положения, на которых базируется молекулярно-кинетическая теория вещества, высказывались уже в глубокой древности. Ещё Демокрит и Левкипп, знаменитые мыслители древней Греции, около 2300 лет назад учили, что все вещества построены из мельчайших частиц – атомов и что эти атомы могу быть различных видов.

Те же мысли встречаем мы через столетие у Эпикура, а несколько позже у древнеримского поэта и мыслителя Лукреция в его знаменитой поэме «О природе вещей».

Идеи античных атомистов долгое время находились в забвении. Церковь преследовала учёных, развивавших идеи об атомно–молекулярном строении вещества. Показателен в этом отношении следующий исторический факт. В 1626 г. парижский парламент издал декрет, запрещавший под угрозой смертной казни распространение идей об атомно–молекулярном строении вещества как материалистических в своей основе.

Несмотря на преследование церкви, блестящие мысли, скорее догадки, античных атомистов снова получили распространение и дальнейшее развитие в середине XVII в. В подлинную же научную теорию эти идеи превращаются только в XVIII в.

Подробнее...

Скорость движения молекул

Скорость движения газовых молекул можно измерить на опыте.

Один из таких опытов заключается в следующем. В сильно откачанном сосуде находится платиновая посеребрённая проволока РР, которая окружена двумя цилиндрами А и В так, что является их общей осью, вокруг которой цилиндры могут вращаться.

Во внутреннем цилиндре А параллельно проволоке прорезана узкая щель S. Платиновую проволоку накаливают электрическим током до температуры, при которой серебро начинает плавиться и испаряться. При этом некоторые молекулы серебра пролетают через щель и отлагаются на внешнем цилиндре в виде серебряной полоски L, которая представляет собой чёткое изображение щели.

Затем оба цилиндра приводятся во вращение в направлении, указанном стрелкой. После остановки цилиндров оказывается, что серебряная полоска L, отложившаяся на внешнем цилиндре В во время его движения, сместилась в сторону, противоположную вращению прибора, в положение L1.

Это смещение объясняется тем, что пока молекулы серебра пробегали расстояние от щели S до внешнего цилиндра, произошло смещение цилиндра на расстояние LL1.

Чем больше скорость вращения цилиндров, тем большее получается смещение. Зная расстояние, на которое смещается полоска серебра, и скорость вращения цилиндров, можно определить скорость движения молекул.

Подробнее...

Земная атмосфера

Как и все тела, частицы окружающего нас воздуха притягиваются к Земле. Но почему же тогда они все не упадут на поверхность Земли? Чем объяснить наличие у Земли атмосферы?

Только непрерывным движением молекул можно объяснить тот факт, что, несмотря на свой вес, газы, составляющие атмосферу, не находятся на поверхности Земли, а распределяются с всё уменьшающейся плотностью в весьма толстом слое, достигающем тысячи километров. Такое распределение газа в атмосфере происходит под влиянием, с одной стороны, силы тяготения, притягивающей молекулы к Земле, с другой стороны, движения молекул воздуха, разбрасывающего молекулы по всем направлениям.

Следы земной атмосферы обнаружены с помощью искусственных спутников Земли на расстоянии 1500 км и более от её поверхности.

Подробнее...

Силы взаимодействия между молекулами

Всякое тело состоит из отдельных атомов или молекул. Но почему всё же трудно отделить, например, одну часть твёрдого тела от другой? Дело в том, что между отдельными молекулами действуют силы взаимного притяжения. Эти силы притяжения (сцепления) оказывают сопротивление всякой попытке отделить одну часть тела от другой. Силы притяжения между молекулами действуют только на очень малых расстояниях. Осколки стекла нельзя срастить, прикладывая их друг к другу, так как из-за неровностей не удаётся их сблизить на то расстояние, на котором начинают проявляться силы молекулярного притяжения. Но если размягчить стекло нагреванием, то размягчённые части можно тесно сблизить, и стекло в этом случае спаивается.

Два куска свинца, сильно сдавленные друг с другом, соединяются в один кусок столь прочно, что можно на такой кусок подвесить груз в несколько килограммов. Из свинцовых опилок можно легко спрессовать целый кусок свинца.

На производстве для измерений употребляются гладкие, отполированные стальные пластинки (так называемые плитки Иогансона). При соприкосновении плиток Иогансона заметно проявляется действие сил молекулярного притяжения.?

Соединение двух кусков металла при сварке или пайке их объясняется действием сил молекулярного притяжения.

Подробнее...

Диффузия

Если в сосуд, до половины наполненный раствором медного купороса, осторожно налить чистой воды поверх раствора, то сначала получается резко обозначенная поверхность раздела АВ между бесцветной водой и синим раствором. Но через некоторое время можно заметить, как вода постепенно начинает синеть, поверхность раздела становится нерезкой, а спустя длительное время исчезает.

В данном опыте мы сталкиваемся с новым физическим явлением, которое носит название диффузии.

Диффузия – это процесс взаимного проникновения друг в друга разных веществ, приведённых в соприкосновение.

Легко обнаружить диффузию в газах. Наполним уравновешенный на весах стакан тяжёлыми парами эфира. Чашка весов с парами эфира перетягивает. Через некоторое время замечаем, что весы приходят в равновесие, а в комнате чувствуется запах эфира. Значит, несмотря на то, что пары эфира тяжелее воздуха, они из стакана проникли в комнату.

Диффузия обнаруживается не только в жидкостях и газах, но и в твёрдых телах. В одном из опытов гладко отшлифованные пластинки свинца и золота клали одну на другую, и ставили на них груз. При обычной комнатной температуре (около 20оС) за 5 лет золото и свинец срослись, взаимно проникнув друг в друга на расстояние в 1 см. Получился слой из однородного сплава золота со свинцом, хотя, конечно, ни о каком плавлении этих металлов при 20°С не могло быть и речи.

Результаты описанных опытов легко объясняются молекулярно-кинетической теорией.

Подробнее...

Опыты, объяснимые молекулярно-кинетической теорией

Поместим под колокол воздушного насоса закрытую волейбольную камеру, содержащую небольшое количество воздуха. Мы заметим, что по мере выкачивания воздуха из–под колокола камера постепенно раздувается, принимая форму шара. Как объяснить результат этого опыта?

Движущиеся молекулы воздуха непрерывно бомбардируют стенки камеры снаружи и изнутри. При откачивании воздуха из-под, колокола быстро уменьшается число молекул, бомбардирующих камеру снаружи. Но внутри закрытой камеры число молекул не изменяется; их воздействие на стенку камеры всё более и более превышает воздействие наружных молекул; в результате камера раздувается.

Опыт показывает, что молекулы различаются по своим размерам и массе.

При одной и той же температуре и при одном и том же давлении молекулы с меньшей массой движутся быстрее, чем молекулы более массивные. Это заключение можно подтвердить на следующем опыте.

Подробнее...

Броуновское движение

К числу опытных доказательств движения молекул в теле относится явление, открытое в 1827 г. английским учёным Броуном.

Если рассматривать под микроскопом эмульсию – мелкие частички какого–либо вещества, взвешенные в жидкости и не растворяющиеся в ней, то можно заметить, что эти частички находятся в непрерывном движении. Направление и величина скорости каждой такой частички быстро меняются. Движение частичек не имеет какого-нибудь преимущественного направления, оно совершенно беспорядочно, хаотично. Это движение и называется броуновским движением. Для наблюдения броуновского движения необходимо примешать к жидкости любые достаточно мелкие твёрдые частицы.

Можно, например, развести в воде небольшое количество чёрной туши и рассматривать под микроскопом мельчайшие её крупинки в капле воды.

Броуновское движение, наблюдаемое в жидкостях, оказывается тем оживлённее, чем меньше вязкость жидкости. Имеет место броуновское движение и в газах, причём там оно особенно интенсивно.

Наблюдения доказывают, что броуновское движение никогда не прекращается. Внутри закрытой со всех сторон кюветы его можно наблюдать всегда: в любое время дня, зимой и летом, его можно наблюдать в течение многих дней, месяцев, лет. Оно тесно связано с тепловым состоянием жидкости: с повышением температуры интенсивность броуновского движения возрастает.

Подробнее...

НАУЧНЫЕ РАЗДЕЛЫ