Як виглядає тепловий рух
Взаємодія між молекулами може мати більший чи менший значення в "життя" молекул.
Три стану речовини - газоподібний, рідкий і твердий - розрізняються одне від іншого тією роллю, яку в них грає взаємодія молекул.
Слово "газ" придумано вченими. Воно вироблено від грецького слова "хаос" - безлад.
І дійсно, газоподібний стан речовини є прикладом існуючого в природі повного, досконалого безладу у взаємному розташуванні і русі частинок. Немає такого мікроскопа, який дозволив би побачити рух газових молекул, але, незважаючи на це, фізики можуть досить детально описати життя цього невидимого світу.
У кубічному сантиметрі повітря при нормальних умовах (кімнатна температура і атмосферний тиск) знаходиться величезна кількість молекул, приблизно 2,5 * 10 19 (т. Е. 25 мільярдів мільярдів молекул). На кожну молекулу доводиться обсяг 4 * 10 -20 см 3. т. Е. Кубик зі стороною приблизно 3,5 * 10 -7 см = 35 # 197 ;. Однак молекули дуже малі. Наприклад, молекули кисню та азоту - основна частина повітря - мають середній розмір близько 4 # 197 ;.
Таким чином, середня відстань між молекулами в 10 разів більше розміру молекули. А це в свою чергу означає, що середній обсяг повітря, на який припадає одна молекула, приблизно в 1000 разів більше обсягу самої молекули.
Уявіть собі рівну площадку, на якій безладно розкидані монетки, причому на площу в 1 м 2 припадає в середньому сто монеток. Це означає одна-дві монетки на сторінку книги, яку ви читаєте. Приблизно так само рідко розташовані газові молекули.
Кожна молекула газу знаходиться в стані безперервного теплового руху.
Простежимо за однією молекулою. Ось вона стрімко рухається кудись вправо. Якби на її шляху не зустрілося перешкод, то молекула з тією ж швидкістю продовжувала б свій рух по прямій лінії. Але шлях молекули перетинають її незліченні сусіди. Зіткнення неминучі, і молекули розлітаються, як два зіткнулися більярдних кулі. В який бік відскочить наша молекула? Придбає або втратить вона свою швидкість? Все можливо: адже зустрічі можуть бути найрізноманітніші. Удари можливі і спереду і ззаду, і справа і зліва, і сильні і слабкі. Ясно, що, піддаючись таким безладним зіткнень при цих випадкових зустрічах, молекула, через яку ми спостерігаємо, буде кидатися на всі боки по судині, в якому укладено газ.
Який шлях вдається молекулам газу пробігти без зіткнення?
Він залежить від розмірів молекул і від щільності газу. Чим більше розміри молекул і число їх в посудині, тим частіше вони будуть стикатися. Середня довжина шляху, пробігає молекулою без зіткнення, - вона називається середньою довжиною пробігу - дорівнює при звичайних умовах 11 * 10 -6 см = 1100 # 197; для молекул водню і 5 * 10 -6 см = 500 # 197; для молекул кисню. 5 * 10 -6 см - двадцятитисячна частка міліметра, відстань дуже мале, але в порівнянні з розмірами молекул воно далеко не мало. Пробігу 5 * 10 -6 см для молекули кисню відповідає в масштабі у більярдного кулі відстань в 10 м.
Варто звернути увагу на особливості руху молекул в сильно розрідженому газі (вакуумі). Рух молекул, "утворюють вакуум", змінює свій характер, коли довжина вільного пробігу молекули стає більше розмірів посудини, в якому знаходиться газ. Тоді молекули рідко стикаються між собою і роблять свою подорож прямими зигзагами, вдаряючись то про одну, то про іншу стінку судини.
Як тільки що було сказано, в повітрі при атмосферному тиску довжина пробігу дорівнює 5 * 10 -6 см. Якщо збільшити її в 10 7 разів, то вона складе 50 см, т. Е. Буде помітно більше середнього за розмірами посудини. Оскільки довжина пробігу обернено пропорційна щільності, а отже, і тиску, то тиск для цього має становити 10 -7 атмосферного або приблизно 10 -4 мм рт. ст.
Навіть міжпланетний простір не є зовсім Порожнім. Але щільність речовини в ньому становить близько 5 * 10 -24 г / см 3. Основна частка міжпланетного речовини - атомарний водень. В даний час вважається, що в космосі доводиться але кілька атомів водню на 1 см 3. Якщо збільшити молекулу водню до розмірів горошини і помістити таку "молекулу" в Москві, то її найближча "космічна сусідка" виявиться в Тулі.
Будова рідини істотно відрізняється від будови газу, молекули якого знаходяться далеко одна від одної і лише зрідка стикаються. В. рідини молекули постійно знаходяться в безпосередній близькості. Молекули рідини розташовані, як картоплини в мішку. Правда, з однією відмінністю: молекули рідини знаходяться в стані безперервного хаотичного теплового руху. Через велику тісноти вони не можуть пересуватися так вільно, як молекули газу. Кожна "тупцює" весь час майже на одному і тому ж місці в оточенні одних і тих же сусідів і тільки потроху переміщується за обсягом, зайнятого рідиною. Чим більш в'язка рідина, тим це переміщення повільніше. Але навіть в такій "рухомий" рідини, як вода, молекула зміститься на 3 # 197; за той час, який потрібно газової молекулі для пробігу в 700 # 197 ;.
Зовсім рішуче розправляються сили взаємодії між молекулами з їх тепловим рухом в твердих тілах. У твердому речовини молекули практично весь час знаходяться в постійному положенні. Тепловий рух позначається тільки в тому, що молекули безперервно коливаються близько положень рівноваги. Відсутність систематичних переміщень молекул і є причина того, що ми називаємо твердістю. Дійсно, якщо молекули не змінюють сусідів, то тим більше залишаються в постійного зв'язку одна з іншою окремі частини тіла.