mișcarea browniană a oamenilor. Mișcarea browniană (mișcarea moleculelor). Observarea mișcării browniene

În clasa a VI-a, te-ai familiarizat cu difuzia - amestecarea gazelor, lichidelor și solidelor prin contact direct. Acest fenomen poate fi explicat prin mișcarea aleatorie a moleculelor. Dar cea mai evidentă dovadă a mișcării moleculelor poate fi obținută prin observarea la microscop a celor mai mici particule din orice substanță solidă suspendată în apă. Aceste particule fac mișcare aleatorie, care se numește brownian.

Mișcarea browniană este mișcarea termică a particulelor suspendate într-un lichid (sau gaz).

Observarea mișcării browniene. Botanistul englez Brown a observat pentru prima dată acest fenomen în 1827, examinând sporii mușchiului de club suspendați în apă la microscop. În zilele noastre, se folosesc de obicei particule de vopsea gummigut, care sunt insolubile în apă. Aceste particule efectuează mișcări aleatorii. Cel mai izbitor și neobișnuit lucru este că această mișcare nu se oprește niciodată. Suntem obișnuiți cu faptul că orice corp în mișcare se oprește mai devreme sau mai târziu. Mișcarea browniană este mișcare termică și nu se poate opri. Pe măsură ce temperatura crește, intensitatea acesteia crește. Figura 6 prezintă o diagramă a mișcării particulelor browniene. Pozițiile particulelor marcate cu puncte sunt determinate la intervale regulate de 30 s. Aceste puncte sunt legate prin linii drepte. În realitate, traiectoriile particulelor sunt mult mai complicate.

Mișcarea browniană poate fi observată într-un gaz. Se realizează prin particule de praf sau fum suspendate în aer.

În prezent, conceptul de „mișcare browniană” este folosit într-un sens mai larg. Deci, de exemplu, mișcarea browniană este tremurul săgeților instrumentelor de măsurare sensibile. Apare din cauza mișcării termice a atomilor pieselor instrumentului și a mediului.

Explicația mișcării browniene. O explicație a mișcării browniene poate fi dată doar pe baza teoriei cinetice moleculare. Motivul mișcării browniene a unei particule este că impactul moleculelor asupra acesteia nu se anulează reciproc. Figura 7 arată schematic poziția unei particule browniene și moleculele cele mai apropiate de aceasta. În mișcarea haotică a moleculelor, impulsurile transmise de acestea către o particulă browniană, de exemplu, din stânga și din dreapta, nu sunt aceleași. Prin urmare, forța de presiune rezultată este diferită de zero, ceea ce determină o modificare a mișcării unei particule browniene.

Presiunea medie are o anumită valoare atât în ​​gaz, cât și în lichid. Dar există întotdeauna abateri minore aleatorii de la medie. Cu cât suprafața corpului este mai mică, cu atât sunt mai mari modificările relative ale forței de presiune care acționează asupra acestei zone. Deci, dacă aria are dimensiuni de ordinul mai multor diametre ale moleculei, atunci forța care acționează asupra ei se schimbă brusc de la zero la o anumită valoare atunci când molecula intră în această zonă.

Teoria molecular-cinetică a mișcării browniene a fost creată de A. Einstein în 1905. Construirea teoriei mișcării browniene și confirmarea ei experimentală de către fizicianul francez J. Perrin au completat în cele din urmă victoria teoriei molecular-cinetice.

« Fizica - Clasa 10 "

Amintiți-vă de fenomenul de difuziune de la cursul de fizică școlară de bază.
Cum poate fi explicat acest fenomen?

Anterior, ai învățat ce difuziune, adică pătrunderea moleculelor unei substanțe în spațiul intermolecular al altei substanțe. Acest fenomen este determinat de mișcarea aleatorie a moleculelor. Acest lucru poate explica, de exemplu, faptul că volumul unui amestec de apă și alcool este mai mic decât volumul componentelor sale.

Dar cea mai evidentă dovadă a mișcării moleculelor poate fi obținută prin observarea la microscop a celor mai mici particule din orice substanță solidă suspendată în apă. Aceste particule se mișcă aleatoriu, ceea ce se numește Brownian.

Mișcarea browniană- aceasta este mișcarea termică a particulelor suspendate într-un lichid (sau gaz).

Observarea mișcării browniene.

Botanistul englez R. Brown (1773-1858) a observat pentru prima dată acest fenomen în 1827, examinând sporii de mușchi suspendați în apă la microscop.

Mai târziu, a luat în considerare alte particule mici, inclusiv particule de piatră din piramidele egiptene. Acum, pentru a observa mișcarea browniană, sunt folosite particule de vopsea gummigut, care este insolubilă în apă. Aceste particule se mișcă aleatoriu. Cel mai izbitor și neobișnuit lucru pentru noi este că această mișcare nu se oprește niciodată. Suntem obișnuiți cu faptul că orice corp în mișcare se oprește mai devreme sau mai târziu. Brown a crezut inițial că sporii mușchiului de club au dat semne de viață.

Mișcarea browniană este mișcare termică și nu se poate opri. Pe măsură ce temperatura crește, intensitatea acesteia crește.

Figura 8.3 prezintă traiectoriile particulelor browniene. Pozițiile particulelor marcate cu puncte sunt determinate la intervale regulate de 30 s. Aceste puncte sunt legate prin linii drepte. În realitate, traiectoria particulelor este mult mai complicată.

Explicația mișcării browniene.

Mișcarea browniană poate fi explicată numai pe baza teoriei molecular-cinetice.

„Puține fenomene pot captiva observatorul la fel de mult ca mișcarea browniană. Aici, observatorului i se permite să privească în culise a ceea ce se întâmplă în natură. O lume nouă se deschide în fața lui - o forfotă fără oprire a unui număr imens de particule. Cele mai mici particule zboară rapid în câmpul vizual al microscopului, schimbând aproape instantaneu direcția de mișcare. Particulele mai mari se mișcă mai încet, dar își schimbă constant direcția. Particulele mari practic se împing în loc. Proeminențele lor arată în mod clar rotația particulelor în jurul axei lor, care își schimbă constant direcția în spațiu. Nicăieri nu există urmă de sistem sau ordine. Dominanța șansei oarbe - asta este o impresie puternică, copleșitoare, această imagine face observatorului. R. Paul (1884-1976).

Motivul pentru mișcarea browniană a unei particule este că impactul moleculelor lichide asupra particulei nu se anulează reciproc.

Figura 8.4 prezintă schematic poziția unei particule browniene și moleculele cele mai apropiate de aceasta.

Când moleculele se mișcă aleatoriu, impulsurile pe care le transmit unei particule browniene, de exemplu, din stânga și din dreapta, nu sunt aceleași. Prin urmare, forța de presiune rezultată a moleculelor lichide pe o particulă browniană este diferită de zero. Această forță determină o modificare a mișcării particulei.

Teoria molecular-cinetică a mișcării browniene a fost creată în 1905 de A. Einstein (1879-1955). Construirea teoriei mișcării browniene și confirmarea ei experimentală de către fizicianul francez J. Perrin au completat în cele din urmă victoria teoriei molecular-cinetice. În 1926, J. Perrin a primit Premiul Nobel pentru studiul structurii materiei.

experimentele lui Perrin.

Ideea din spatele experimentelor lui Perrin este următoarea. Se știe că concentrația de molecule de gaz în atmosferă scade odată cu înălțimea. Dacă nu ar exista mișcare termică, atunci toate moleculele ar cădea pe Pământ și atmosfera ar dispărea. Cu toate acestea, dacă nu ar exista atracție pentru Pământ, atunci din cauza mișcării termice, moleculele ar părăsi Pământul, deoarece gazul este capabil de expansiune nelimitată. Ca urmare a acțiunii acestor factori opuși, se stabilește o anumită distribuție a moleculelor de-a lungul înălțimii, adică concentrația moleculelor scade destul de repede odată cu înălțimea. Mai mult, cu cât masa moleculelor este mai mare, cu atât concentrația lor scade mai repede odată cu înălțimea.

Particulele browniene participă la mișcarea termică. Deoarece interacțiunea lor este neglijabilă, totalitatea acestor particule dintr-un gaz sau lichid poate fi considerată un gaz ideal de molecule foarte grele. În consecință, concentrația particulelor browniene într-un gaz sau lichid din câmpul gravitațional al Pământului trebuie să scadă conform aceleiași legi ca și concentrația moleculelor de gaz. Această lege este cunoscută.

Perrin, folosind un microscop de mare mărire și o adâncime mică de câmp (profunzime mică de câmp), a observat particule browniene în straturi foarte subțiri de lichid. Calculând concentrația particulelor la diferite înălțimi, a descoperit că această concentrație scade odată cu înălțimea conform aceleiași legi ca și concentrația moleculelor de gaz. Diferența este că, datorită masei mari de particule browniene, scăderea are loc foarte rapid.

Toate aceste fapte mărturisesc corectitudinea teoriei mișcării browniene și a faptului că particulele browniene participă la mișcarea termică a moleculelor.

Numărarea particulelor browniene la diferite înălțimi i-a permis lui Perrin să determine constanta lui Avogadro într-un mod complet nou. Valoarea acestei constante a coincis cu cea cunoscută anterior.

Una dintre cele mai convingătoare dovezi ale realității mișcării moleculelor este fenomenul așa-numitei mișcări browniene, descoperit în 1827 de botanistul englez Brown când studia cei mai mici spori suspendați în apă. El a descoperit, atunci când a fost examinat la microscop la mărire mare, că acești spori se aflau într-o mișcare constantă neregulată, ca și cum ar fi executat un dans fantastic sălbatic.

Experimente ulterioare au arătat că aceste mișcări nu sunt legate de originea biologică a particulelor sau de nicio mișcare a fluidelor. Mișcări similare sunt făcute de orice particule mici suspendate într-un lichid sau gaz. Astfel de mișcări neregulate sunt făcute, de exemplu, de particulele de fum din aerul nemișcat. Această mișcare aleatorie a particulelor suspendate într-un lichid sau gaz se numește mișcare browniană.

Studiile speciale au arătat că natura mișcării browniene depinde de proprietățile lichidului sau gazului în care particulele sunt suspendate, dar nu depinde de proprietățile substanței particulelor în sine. Viteza de mișcare a particulelor browniene crește odată cu creșterea temperaturii și odată cu scăderea dimensiunii particulelor.

Toate aceste regularități pot fi ușor explicate dacă acceptăm că mișcările particulelor în suspensie apar ca urmare a șocurilor pe care le experimentează de la moleculele în mișcare ale lichidului sau gazului în care se află.

Desigur, fiecare particulă browniană este supusă unor astfel de impacturi din toate părțile. Cu dezordinea completă a mișcărilor moleculare, s-ar părea că numărul de impacturi care cad asupra unei particule din orice direcție ar trebui să fie exact egal cu numărul de impacturi din direcția opusă,

astfel încât toate aceste șocuri trebuie să se anuleze complet reciproc, iar particulele trebuie să rămână nemișcate.

Este exact ceea ce se întâmplă dacă particulele nu sunt prea mici. Dar când avem de-a face cu particule microscopice, vezi), situația este diferită. Într-adevăr, din faptul că mișcările moleculare sunt haotice, rezultă doar că, în medie, numărul de impacturi în direcții diferite este același. Dar in asa ceva sistem statistic, precum lichidul sau gazul, abaterile de la valorile medii sunt inevitabile. Astfel de abateri de la valorile medii ale anumitor cantități care apar într-un volum mic sau pe perioade scurte de timp se numesc fluctuații. Dacă un corp de dimensiuni obișnuite se află într-un lichid sau gaz, atunci numărul de șocuri pe care le suferă din partea moleculelor este atât de mare încât nici șocurile individuale, nici predominanța aleatorie a șocurilor într-o direcție asupra șocurilor în alte direcții nu pot fi observat. Pentru particule mici numărul totalșocurile pe care le suferă sunt relativ mici, astfel încât predominanța numărului de șocuri dintr-o direcție sau alta devine sesizabilă și tocmai datorită unor astfel de fluctuații ale numărului de șocuri acelea caracteristice, parcă, mișcări convulsive de apar particule în suspensie, care se numesc mișcare browniană.

Este clar că mișcările particulelor browniene nu sunt mișcări moleculare: nu vedem rezultatul impactului unei molecule, ci rezultatul predominării numărului de impacturi într-o direcție asupra numărului de impacturi în direcția opusă. Mișcarea browniană dezvăluie doar foarte clar însăși existența mișcărilor moleculare aleatorii.

Astfel, mișcarea browniană se explică prin faptul că, din cauza diferenței aleatoare a numărului de impacturi ale moleculelor asupra unei particule din direcții diferite, apare o anumită forță rezultantă a unei anumite direcții. Deoarece fluctuațiile sunt de obicei pe termen scurt, după o perioadă scurtă de timp direcția rezultantei se va schimba și, odată cu aceasta, se va schimba și direcția mișcării particulelor. De aici aleatorietatea observată a mișcărilor browniene, reflectând aleatorietatea mișcării moleculare.

Vom completa acum explicația calitativă de mai sus a mișcării browniene cu o considerație cantitativă a acestui fenomen. Teoria sa cantitativă a fost dată pentru prima dată de Einstein și, independent, de Smoluchowski (1905). Prezentăm aici o derivare mai simplă a relației principale a acestei teorii decât cele ale acestor autori.

Datorită compensării incomplete a impacturilor moleculare, după cum am văzut, o anumită forță rezultantă acționează asupra unei particule browniene, sub acțiunea căreia particula se mișcă. În plus față de această forță, particula este afectată de forța de frecare cauzată de vâscozitatea mediului și direcționată împotriva forței

Pentru simplitate, presupunem că particula are forma unei sfere cu raza a. Atunci forța de frecare poate fi exprimată prin formula Stokes:

unde este coeficientul de frecare internă a lichidului (sau gazului), viteza particulei. Ecuația mișcării particulelor (a doua lege a lui Newton) are astfel forma:

Aici este masa particulei, vectorul razei acesteia în raport cu un sistem de coordonate arbitrar, viteza particulei și rezultanta forțelor cauzate de impactul moleculelor.

Luați în considerare proiecția vectorului rază pe una dintre axele de coordonate, de exemplu, pe axă. Pentru această componentă, ecuația (7.1) va fi rescrisă sub forma:

unde este componenta forței rezultate de-a lungul axei

Sarcina noastră este să găsim deplasarea x a unei particule browniene, pe care o primește sub influența impacturilor moleculare. Fiecare dintre particule este supusă în mod constant la ciocniri cu molecule, după care își schimbă direcția mișcării. Diverse particule primesc deplasări care diferă atât ca mărime, cât și ca direcție. Valoarea probabilă a sumei deplasărilor tuturor particulelor este egală cu zero, deoarece deplasările pot avea atât deplasări pozitive, cât și pozitive cu probabilitate egală. semn negativ. Valoarea medie a proiecției deplasării particulelor x va fi așadar zero. Cu toate acestea, valoarea medie a pătratului deplasării nu va fi egală cu zero, adică mărimea x, deoarece nu își schimbă semnul atunci când semnul lui x se schimbă. Prin urmare, să transformăm ecuația (7.2) astfel încât să conțină cantitatea Pentru a face acest lucru, înmulțim ambele părți ale acestei ecuații cu

Folosim identitățile evidente:

Înlocuind aceste expresii în (7.3), obținem:

Această egalitate este valabilă pentru orice particulă și, prin urmare, este valabilă și pentru valorile medii ale cantităților incluse în ea,

dacă media se efectuează pe un număr suficient de mare de particule. Prin urmare, puteți scrie:

unde este valoarea medie a pătratului deplasării particulei, valoarea medie a pătratului vitezei sale. În ceea ce privește valoarea medie a cantității incluse în egalitate, aceasta este egală cu zero, deoarece pentru un număr mare de particule atât pozitive, cât și valori negative. Prin urmare, ecuația (7.2) ia forma:

Valoarea din această ecuație este valoarea medie a pătratului proiecțiilor vitezei pe axă Deoarece mișcările particulelor sunt complet haotice, valorile medii ale pătratelor proiecțiilor vitezei de-a lungul tuturor celor trei axe de coordonate trebuie să fie egale unul față de celălalt, adică

De asemenea, este evident că suma acestor cantități ar trebui să fie egală cu valoarea medie a pătratului vitezei particulelor.

Prin urmare,

Astfel, exprimarea interesului pentru noi, care este inclusă în (7.4), este egală cu:

Valoarea este media energie kinetică Particulă browniană. Ciocnind cu moleculele unui lichid sau gaz, particulele browniene schimbă energie cu ele și se află în echilibru termic cu mediul în care se mișcă. Prin urmare, energia cinetică medie a mișcării de translație a unei particule browniene trebuie să fie egală cu energia cinetică medie a moleculelor.

lichid (sau gaz), care, după cum știm, este

prin urmare

Faptul că energia cinetică medie a unei particule browniene este egală (ca și în cazul unei molecule de gaz!) Este de o importanță fundamentală. Într-adevăr, ecuația de bază (3.1) derivată mai devreme este valabilă pentru orice particule care nu interacționează între ele și nu efectuează mișcări haotice. Indiferent dacă vor fi molecule invizibile pentru ochi sau particule browniene mult mai mari, care conțin miliarde de molecule, nu are importanță. Din punct de vedere molecular-cinetic, o particulă browniană poate fi tratată ca o moleculă gigantică. Prin urmare, expresia energiei cinetice medii a unei astfel de particule trebuie să fie aceeași ca și pentru moleculă. Vitezele particulelor browniene, desigur, sunt incomparabil mai mici, corespunzătoare masei lor mai mari.

Să revenim acum la ecuația (7.4) și, ținând cont de (7.5), o rescriem

Această ecuație este ușor de integrat. Indicând obținem:

iar după separarea variabilelor, ecuația noastră se transformă în:

Integrând partea stângă a acestei ecuații în intervalul de la 0 la și partea dreaptă de la până obținem:

Valoarea, după cum se poate observa cu ușurință, este neglijabilă în condiții experimentale normale. Într-adevăr, dimensiunea particulelor browniene nu depășește cm, vâscozitatea unui lichid este de obicei apropiată de vâscozitatea apei, adică aproximativ egală cu Prin urmare, dacă intervalul de timp dintre observațiile succesive ale unei particule browniene depășește ceea ce, desigur, întotdeauna are loc, atunci

Pentru intervale de timp finite și deplasări corespunzătoare, ecuația (7.6) poate fi rescrisă ca:

Valoarea medie a deplasării la pătrat a unei particule browniene pe un interval de timp de-a lungul axei X, sau a oricărei alte axe, este proporțională cu acest interval de timp.

Formula (7.7) face posibilă calcularea valorii medii a pătratului deplasărilor, iar media este preluată asupra tuturor particulelor care participă la fenomen. Dar această formulă este valabilă și pentru valoarea medie a pătratului multor deplasări succesive ale unei singure particule în intervale de timp egale.Din punct de vedere experimental, este mai convenabil să se observe deplasările unei singure particule. Astfel de observații au fost făcute de Perrin în 1909.

Perrin a observat mișcarea particulelor printr-un microscop, al cărui ocular era echipat cu o rețea de linii reciproc perpendiculare care servea ca sistem de coordonate. Folosind grila, Perrin a marcat pe ea pozițiile succesive ale unei particule pe care a ales-o la anumite intervale de timp (de exemplu, 30 s). Conectând apoi punctele care marchează poziția particulei pe grilă, a obținut o imagine similară cu cea din Fig. 7. Această figură prezintă atât deplasările particulei, cât și proiecțiile lor pe axă.

Trebuie avut în vedere că mișcarea unei particule este mult mai complicată decât se poate aprecia din Fig. 7, deoarece pozițiile sunt marcate aici la intervale de timp nu prea scurte (de ordinul a 30 s). Dacă aceste goluri sunt reduse, atunci se dovedește că fiecare segment de linie dreaptă din figură se desfășoară în aceeași traiectorie complexă în zig-zag ca întreaga figură. 7.

Deoarece constanta poate fi determinată din ecuația de stare.

Experimentele lui Perrin au avut mare importanță pentru fundamentarea finală a teoriei molecular-cinetice.

Mișcarea browniană- în știința naturii, mișcarea aleatorie a particulelor microscopice, vizibile, ale unei substanțe solide suspendate într-un lichid (sau gaz), cauzată de mișcarea termică a particulelor unui lichid (sau gaz).

Mișcarea browniană are loc datorită faptului că toate lichidele și gazele constau din atomi sau molecule - cele mai mici particule care se află în mișcare termică haotică constantă și, prin urmare, împing continuu particula browniană din diferite părți. S-a constatat că particulele mari cu dimensiuni mai mari de 5 microni practic nu participă la mișcarea browniană, particulele mai mici (mai puțin de 3 microni) se deplasează înainte de-a lungul traiectoriilor foarte complexe sau se rotesc. Când un corp mare este scufundat în mediu, șocurile care apar în număr mare sunt mediate și formează o presiune constantă. Dacă un corp mare este înconjurat de un mediu pe toate părțile, atunci presiunea este practic echilibrată, rămâne doar forța de ridicare a lui Arhimede - un astfel de corp plutește sau se scufundă fără probleme. Dacă corpul este mic, ca o particulă browniană, atunci fluctuațiile de presiune devin vizibile, care creează o forță vizibilă care se schimbă aleatoriu, ducând la oscilații ale particulei. Particulele browniene de obicei nu se scufundă sau plutesc, ci sunt suspendate într-un mediu.

Principiul fizic de bază care stă la baza mișcării browniene este că energia cinetică medie a mișcării moleculelor unui lichid (sau gaz) este egală cu energia cinetică medie a oricărei particule suspendate în acest mediu. Prin urmare, energia cinetică medie< E> mișcarea de translație a unei particule browniene este egală cu:

< E> =m<v 2 >/ 2 = 3kT/2,

Unde m este masa particulei browniene, v- viteza ei k este constanta Boltzmann, T- temperatura. Din această formulă putem observa că energia cinetică medie a unei particule browniene și, prin urmare, intensitatea mișcării sale, crește odată cu creșterea temperaturii.

Particula browniană se va deplasa pe o cale în zig-zag, îndepărtându-se treptat de punctul de plecare. Calculele arată că valoarea pătratului mediu a deplasării unei particule browniene r 2 =X 2 +y 2 +z 2 este descris prin formula:

< r 2 > = 6kTBt

Unde B- mobilitatea particulelor, care este invers proporțională cu vâscozitatea mediului și mărimea particulelor. Această formulă, numită formula lui Einstein, a fost confirmată experimental cu toată atenția posibilă de către fizicianul francez Jean Perrin (1870-1942). Pe baza măsurării parametrilor de mișcare ai unei particule browniene, Perrin a obținut valorile constantei Boltzmann și ale numărului Avogadro, care sunt în bună concordanță cu valorile obținute prin alte metode în limitele erorilor de măsurare.

15. Prima lege a termodinamicii. Munca, caldura, energie interna.

Formulare: cantitatea de căldură primită de sistem duce la schimbarea energiei sale interne și la lucru împotriva forțelor externe.

Prima lege (prima lege) a termodinamicii poate fi formulată după cum urmează: „Schimbarea energiei totale a sistemului în proces cvasistatic este egală cu cantitatea de căldură Q raportată sistemului, în total cu modificarea energiei asociată cu cantitatea de substanță N la potențialul chimic și cu munca A „efectuată asupra sistemului de către forțele și câmpurile externe, minus lucrul A realizat de sistemul însuși împotriva forțelor externe":.

Pentru o cantitate elementară de căldură, lucru elementar și un mic increment (diferența totală) de energie internă, prima lege a termodinamicii are forma:

Împărțirea muncii în două părți, dintre care una descrie munca efectuată asupra sistemului, iar a doua - munca efectuată de sistemul însuși, subliniază faptul că aceste lucrări pot fi efectuate de forțe de natură diferită datorită diferitelor surse de forțe. .

Energie internacorp este energia totală a acestui corp minus energia cinetică a corpului în ansamblu și energia potențială a corpului în câmpul extern de forțe. Energia internă este o funcție cu o singură valoare a stării sistemului. Aceasta înseamnă că ori de câte ori un sistem se găsește într-o stare dată, energia sa internă își asumă valoarea inerentă acestei stări, indiferent de istoria sistemului. În consecință, schimbarea energiei interne în timpul tranziției de la o stare la alta va fi întotdeauna egală cu diferența dintre valorile sale în starea finală și inițială, indiferent de calea pe care a fost făcută tranziția.

Energia internă a unui corp nu poate fi măsurată direct. Puteți determina doar schimbarea energiei interne: unde este căldura furnizată corpului, măsurată în jouli, este munca efectuată de corp împotriva forțelor externe, măsurată în jouli

Energia internă a unui gaz ideal depinde doar de temperatura acestuia și nu depinde de volum.Teoria cinetică moleculară duce la următoarea expresie pentru energia internă a unui mol dintr-un gaz ideal monoatomic (heliu, neon etc.) , ale căror molecule efectuează numai mișcare de translație:

Deoarece energia potențială a interacțiunii moleculelor depinde de distanța dintre ele, în cazul general, energia internă U a corpului depinde, alături de temperatura T, și de volumul V: U = U (T, V) .

Energia internă a corpului se poate modifica dacă acționează asupra ei forțe externe lucrează (pozitiv sau negativ). De exemplu, dacă un gaz este comprimat într-un cilindru sub un piston, atunci forțele externe fac un lucru pozitiv A asupra gazului. În același timp, forțele de presiune care acționează asupra pistonului din gaz lucrează A = -A". Dacă volumul gazului s-a modificat cu o cantitate mică ΔV, atunci gazul funcționează pSΔx = pΔV, unde p este presiunea gazului, S este aria pistonului, Δx este deplasarea acestuia (Fig. 3.8.1). La dilatare, munca efectuată de gaz este pozitivă, în timp ce la comprimare, este negativă. În cazul general, în timpul trecerii de la o stare inițială (1) la starea finală (2), lucrul gazului este exprimat prin formula:

sau în limita ca ΔV i → 0:

Lucrul este numeric egal cu aria de sub graficul procesului de pe diagramă (p, V). Cantitatea de muncă depinde de modul în care s-a făcut trecerea de la starea inițială la starea finală. Pe fig. 3.8.2 prezintă trei procese diferite care schimbă gazul din starea (1) în starea (2). În toate cele trei cazuri, gazul efectuează o activitate diferită.

Procesele descrise în fig. 3.8.2 poate fi efectuată și în sens invers; atunci jobul A va pur și simplu semn invers. Procesele de acest fel, care se pot desfasura in ambele directii, se numesc reversibile.Spre deosebire de un gaz, lichidele si solidele isi schimba putin volumul, astfel incat in multe cazuri se poate neglija munca efectuata in timpul dilatarii sau contractiei. Cu toate acestea, energia internă a corpurilor lichide și solide se poate modifica și ca urmare a muncii. În timpul prelucrării mecanice a pieselor (de exemplu, la găurire), acestea se încălzesc. Aceasta înseamnă că energia lor internă se schimbă. Un alt exemplu este experimentul lui Joule (1843) privind determinarea echivalentului mecanic al căldurii. Când un filător scufundat într-un lichid se rotește, forțele externe efectuează un lucru pozitiv (A "\u003e 0); în acest caz, lichidul se încălzește datorită prezenței forțele interne de frecare, adică energia sa internă crește. În aceste două exemple, procesele nu pot fi efectuate în direcția opusă. Astfel de procese sunt numite ireversibile.

Ce este mișcarea browniană?

Acum vă veți familiariza cu cea mai evidentă dovadă a mișcării termice a moleculelor (a doua poziție principală a teoriei cinetice moleculare). Asigurați-vă că încercați să priviți printr-un microscop și să vedeți cum se mișcă așa-numitele particule browniene.

Anterior, ai învățat ce difuziune, adică amestecarea gazelor, lichidelor și solidelor în contactul lor direct. Acest fenomen poate fi explicat prin mișcarea aleatorie a moleculelor și pătrunderea moleculelor unei substanțe în spațiul dintre moleculele altei substanțe. Acest lucru poate explica, de exemplu, faptul că volumul unui amestec de apă și alcool este mai mic decât volumul componentelor sale. Dar cea mai evidentă dovadă a mișcării moleculelor poate fi obținută prin observarea la microscop a celor mai mici particule din orice substanță solidă suspendată în apă. Aceste particule se mișcă aleatoriu, ceea ce se numește Brownian.

Aceasta este mișcarea termică a particulelor suspendate într-un lichid (sau gaz).

Observarea mișcării browniene

Botanistul englez R. Brown (1773-1858) a observat pentru prima dată acest fenomen în 1827, examinând sporii de mușchi suspendați în apă la microscop. Mai târziu, a luat în considerare alte particule mici, inclusiv particule de piatră din piramidele egiptene. Acum, pentru a observa mișcarea browniană, sunt folosite particule de vopsea gummigut, care este insolubilă în apă. Aceste particule se mișcă aleatoriu. Cel mai izbitor și neobișnuit lucru pentru noi este că această mișcare nu se oprește niciodată. Suntem obișnuiți cu faptul că orice corp în mișcare se oprește mai devreme sau mai târziu. Brown a crezut inițial că sporii mușchiului de club au dat semne de viață.

mișcarea termică și nu se poate opri. Pe măsură ce temperatura crește, intensitatea acesteia crește. Figura 8.3 prezintă o diagramă a mișcării particulelor browniene. Pozițiile particulelor marcate cu puncte sunt determinate la intervale regulate de 30 s. Aceste puncte sunt legate prin linii drepte. În realitate, traiectoria particulelor este mult mai complicată.

Mișcarea browniană poate fi observată și într-un gaz. Se realizează prin particule de praf sau fum suspendate în aer.

Fizicianul german R. Pohl (1884-1976) descrie plin de culoare mișcarea browniană: „Puține fenomene pot captiva observatorul la fel de mult ca mișcarea browniană. Aici, observatorului i se permite să privească în culise a ceea ce se întâmplă în natură. O lume nouă se deschide în fața lui - o forfotă fără oprire a unui număr imens de particule. Cele mai mici particule zboară rapid în câmpul vizual al microscopului, schimbând aproape instantaneu direcția de mișcare. Particulele mai mari se mișcă mai încet, dar își schimbă constant direcția. Particulele mari practic se împing în loc. Proeminențele lor arată în mod clar rotația particulelor în jurul axei lor, care își schimbă constant direcția în spațiu. Nicăieri nu există urmă de sistem sau ordine. Dominanța șansei oarbe - asta este o impresie puternică, copleșitoare, această imagine face observatorului.

În prezent, conceptul Mișcarea browniană folosit într-un sens mai larg. De exemplu, mișcarea browniană este tremurul săgeților instrumentelor de măsură sensibile, care se produce datorită mișcării termice a atomilor părților instrumentului și a mediului.

Explicația mișcării browniene

Mișcarea browniană poate fi explicată numai pe baza teoriei molecular-cinetice. Motivul pentru mișcarea browniană a unei particule este că impactul moleculelor lichide asupra particulei nu se anulează reciproc.. Figura 8.4 prezintă schematic poziția unei particule browniene și moleculele cele mai apropiate de aceasta. Când moleculele se mișcă aleatoriu, impulsurile pe care le transmit unei particule browniene, de exemplu, din stânga și din dreapta, nu sunt aceleași. Prin urmare, forța de presiune rezultată a moleculelor lichide pe o particulă browniană este diferită de zero. Această forță determină o modificare a mișcării particulei.

Presiunea medie are o anumită valoare atât în ​​gaz, cât și în lichid. Dar există întotdeauna ușoare abateri aleatorii de la această medie. Cu cât suprafața corpului este mai mică, cu atât sunt mai vizibile modificările relative ale forței de presiune care acționează asupra acestei zone. Deci, de exemplu, dacă zona are o dimensiune de ordinul mai multor diametre ale moleculei, atunci forța de presiune care acționează asupra ei se schimbă brusc de la zero la o anumită valoare atunci când molecula intră în această zonă.

Teoria molecular-cinetică a mișcării browniene a fost creată în 1905 de A. Einstein (1879-1955).

Construirea teoriei mișcării browniene și confirmarea ei experimentală de către fizicianul francez J. Perrin au completat în cele din urmă victoria teoriei molecular-cinetice.

experimentele lui Perrin

Ideea din spatele experimentelor lui Perrin este următoarea. Se știe că concentrația de molecule de gaz în atmosferă scade odată cu înălțimea. Dacă nu ar exista mișcare termică, atunci toate moleculele ar cădea pe Pământ și atmosfera ar dispărea. Cu toate acestea, dacă nu ar exista atracție pentru Pământ, atunci din cauza mișcării termice, moleculele ar părăsi Pământul, deoarece gazul este capabil de expansiune nelimitată. Ca urmare a acțiunii acestor factori opuși, se stabilește o anumită distribuție a moleculelor de-a lungul înălțimii, așa cum sa menționat mai sus, adică concentrația moleculelor scade destul de repede odată cu înălțimea. Mai mult, cu cât masa moleculelor este mai mare, cu atât concentrația lor scade mai repede odată cu înălțimea.

Particulele browniene participă la mișcarea termică. Deoarece interacțiunea lor este neglijabilă, agregatul acestor particule într-un gaz sau lichid poate fi considerat un gaz ideal de molecule foarte grele. În consecință, concentrația particulelor browniene într-un gaz sau lichid din câmpul gravitațional al Pământului trebuie să scadă conform aceleiași legi ca și concentrația moleculelor de gaz. Această lege este cunoscută.

Perrin, folosind un microscop de mare mărire și o adâncime mică de câmp (profunzime mică de câmp), a observat particule browniene în straturi foarte subțiri de lichid. Calculând concentrația particulelor la diferite înălțimi, a descoperit că această concentrație scade odată cu înălțimea conform aceleiași legi ca și concentrația moleculelor de gaz. Diferența este că, datorită masei mari de particule browniene, scăderea are loc foarte rapid.

Mai mult, numărarea particulelor browniene la diferite înălțimi i-a permis lui Perrin să determine constanta lui Avogadro într-un mod complet nou. Valoarea acestei constante a coincis cu cea cunoscută.

Toate aceste fapte mărturisesc corectitudinea teoriei mișcării browniene și, în consecință, a faptului că particulele browniene participă la mișcarea termică a moleculelor.

Ați văzut clar existența mișcării termice; Am văzut mișcarea haotică în derulare. Moleculele se mișcă și mai aleatoriu decât particulele browniene.

Esența fenomenului

Acum să încercăm să înțelegem esența fenomenului mișcării browniene. Și se întâmplă pentru că toate lichidele și gazele absolut constau din atomi sau molecule. Dar știm, de asemenea, că aceste particule cele mai mici, fiind în mișcare haotică continuă, împing constant particula browniană din diferite părți.

Dar iată ce este interesant, oamenii de știință au demonstrat că particulele de dimensiuni mai mari care depășesc 5 microni rămân nemișcate și aproape că nu participă la mișcarea browniană, ceea ce nu se poate spune despre particulele mai mici. Particulele cu o dimensiune mai mică de 3 microni sunt capabile să se deplaseze înainte, făcând rotații sau scriind traiectorii complexe.

Când sunt scufundate în mediul unui corp mare, tremururile care apar într-un număr mare par să iasă la iveală nivel mediuși menține presiunea constantă. În acest caz, intră în joc teoria lui Arhimede, deoarece un corp mare înconjurat de un mediu pe toate părțile echilibrează presiunea, iar forța de ridicare rămasă permite acestui corp să plutească sau să se scufunde.

Dar dacă corpul are dimensiuni precum o particulă browniană, adică complet imperceptibile, atunci deviațiile de presiune devin vizibile, ceea ce contribuie la crearea unei forțe aleatorii care duce la oscilații ale acestor particule. Se poate concluziona că particulele browniene din mediu sunt în suspensie, spre deosebire de particulele mari care se scufundă sau plutesc.

Semnificația mișcării browniene

Să încercăm să ne dăm seama dacă mișcarea browniană în mediul natural are vreo semnificație:

În primul rând, mișcarea browniană joacă un rol semnificativ în nutriția plantelor din sol;
În al doilea rând, la organismele umane și animale, absorbția nutrienților are loc prin pereții organelor digestive datorită mișcării browniene;
În al treilea rând, în implementarea respirației pielii;
Și, în sfârșit, mișcarea browniană contează în răspândirea substanțelor nocive în aer și în apă.

Teme pentru acasă

Citiți cu atenție întrebările și răspundeți în scris la ele:

1. Vă amintiți ceea ce se numește difuzie?
2. Care este relația dintre difuzie și mișcarea termică a moleculelor?
3. Definiți mișcarea browniană.
4. Ce crezi, este mișcarea browniană termică și justifică-ți răspunsul?
5. Se va schimba natura mișcării browniene atunci când este încălzită? Dacă se schimbă, atunci cum?
6. Ce instrument este folosit în studiul mișcării browniene?
7. Se schimbă modelul mișcării browniene odată cu creșterea temperaturii și cum anume?
8. Va exista vreo modificare a mișcării browniene dacă emulsia apoasă este înlocuită cu glicerol?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Fizica clasa a 10-a