Вечное движение

Каковы же свойства молекул?

«Первым и самым важным из прирожденных свойств материи является движение»,
— писали почти двести лет назад Маркс и Энгельс. Молекулы не стоят на месте, они находятся в постоянном движении.

Очевидно, и частицы воздуха, беспорядочно двигаясь, непрерывно ударяются о наше тело. Почему мы не ощущаем этого? Этому есть простое объяснение. Молекулы, как мы знаем, очень маленькие и легкие, и наши органы чувств не воспринимают слабых ударов отдельных молекул. Не ощущаем же мы тяжести комара севшего на голову. А комар содержит в себе миллиарды молекул!

Но, если молекула быстро движется и ударяется об очень маленькую частицу, такую же как и она сама. В этом случае столкновение уже не пройдет бесследно для частицы.

Каждый из вас не раз наблюдал, конечно, как солнечный луч, попадая в темную комнату через щель ставни или неплотно задернутую штору, пронизывает воздух и делает видимым множество находящихся в нем мельчайших пылинок. Какое беспорядочное движение можно наблюдать при этом! Пылинки беспорядочно движутся и кружатся, как рой мошек в летнее время. Такое же беспорядочное движение можно увидеть, если, присмотреться через микроскоп к частичкам сигаретного дыма. И также причудливо движутся мельчайшие частицы в жидкости. Разнообразные запутанные узоры выделывают, например, частицы цветочной пыльцы, высыпанной в воду.

Пылинки неутомимо двигаются. И час, и день, и неделю, они все время усердно продолжают свои беспорядочные движения. Почему это происходит? Почему частица постоянно изменяет свой путь, бросаясь в сторону, как будто натолкнувшись на препятствие?

На первый взгляд ответ очень прост: ведь окружающем нас воздухе никогда не бывает полностью спокойно. Даже когда нет ощутимого ветра, и тогда происходит движение и взаимное перемешивание потоков холодного и теплого воздуха. Такие же тепловые потоки наблюдаются и в воде, нагретой в одном месте больше, чем в другом.

Не эти ли потоки, сталкиваясь между собой, взаимно перемешиваясь, вынуждают пылинки двигаться? Ну что же, это можно проверить! Возьмем стакан с водой, к которой подмешана цветочная пыльца, обмотаем его ватой, чтобы защитить и от нагревания и от охлаждения, и поставим на стол вдали от окна. Пройдет день или два, и вся жидкость сделается одинаково нагретой — тепловых потоков в ней не будет. Вот, и наши пылинки, не подгоняемые более, перестали двигаться? Но вооружимся микроскопом, и мы снова увидим, что среди пылинок царит прежнее оживление: как и раньше, они беспорядочно мечутся, гонимые какой-то неведомой силой.

Значит, не перемешивание жидкости или газа, вызванное разной температурой его отдельных слоев, причина движения пылинок. Поищем другое объяснение этого загадочного явления.

Не мы ли с вами сами являемся причиной этого движения? Ведь стакан, и котором мы наблюдаем движение, стоит на столе, и мы, двигаясь по комнате, закрывая и открывая двери, непрерывно сотрясаем стол. А когда мы неподвижны, это за нас делают проезжающие по улице автомобили, трамваи, автобусы.

Чтобы избежать каких бы гони было сотрясений, ученые опускались в подземелье, где сосуд с жидкостью находился в полном покое. Но и это не могло успокоить пылинки, они двигались по-прежнему, неутомимо! Что же заставляет их двигаться?

Если присмотреться к нашему опыту, то в глаза бросится обстоятельство еще более странное, чем движение пылинок.

В самом деле, описанное явление можно наблюдать, подмешав к воде мельчайшие частицы любого вещества, нерастворимого в воде. Это вещество может быть и более тяжелым, чем вода. В последнем случае частицы осядут на дно. Однако если в воду добавить глину, то мы увидим, что часть частиц, вместо того чтобы упасть на дно стакана, расположится неравномерно по высоте стакана. Внизу их будет больше, наверху меньше. И такое расположение не меняется, сколько бы времени мы ни наблюдали!

Что же мешает частичкам упасть? Оказывается, одна и та же причина заставляет частицы двигаться и не дает им упасть. Это удары о них молекул воды. Конечно, причудливые движения каждой цветочной пылинки не есть результат удара отдельной молекулы. Дело в том, что в какой-либо миг на одну сторону пылинки ударяется больше молекул, чем на другую, либо их скорость значительно выше. Все эти удары и вынуждают пылинки двигаться в том направлении, в каком перемещаются избыточные или быстро движущиеся молекулы.

Описанное движение мельчайших пылинок было открыто шотландским ботаником Броуном и названо по его имени броуновским. А теория, объясняющая их беспорядочное движение, была развита польским ученым М. Смолуховским.

Броуновское движение позволяет ученым обнаруживать движение молекул так же, как движение листьев дерева позволяет определить даже едва заметный ветерок.

В жизни мы чаще имеем дело с твердыми и жидкими телами и реже с газами. Поэтому твердые и жидкие вещества кажутся нам более простыми. Однако не все, к чему мы привыкли, и что кажется нам простым и ясным, является в действительности простым. Оказывается, газы более просто построены, чем жидкости и твердые тела; поведение молекул газа проще для изучения и понимания.

Если бы с помощью микроскопа можно было увидеть молекулы, то мы увидели невообразимую сутолоку и суету. Движение молекул хаотично в разных направлениях без всякого порядка и правил. Но это так кажется. Есть молекулы быстрые, есть и медленные; и все они двигаются в разных направлениях. Но слишком быстро или слишком медленно движутся совсем небольшая доля молекул.

Важный для науки закон, указывающий доли быстрых и медленных молекул по скоростям, был найден английским физиком К. Максвеллом.

По этому закону подавляющее большинство молекул движется со скоростями, мало отличающимися друг от друга. Таким образом, без большой ошибки можно считать, что все молекулы движутся с одинаковой скоростью.

Замена различных скоростей молекул средней скоростью не будет приводить к ошибкам только в том случае, если молекул достаточно много, потому что тогда доля молекул со скоростями, значительно отличающимися от средней, будет невелика. Но даже в очень небольшом количестве газа, например в объеме, равном булавочной головке, содержится громадное число молекул, исчисляющееся цифрой с 16 нулями. .

Какова же величина средней скорости движения молекул газов? У разных газов скорость разная.

Быстрее всех движутся молекулы водорода. Медленнее движутся молекулы кислорода. т совсем медленно молекулы углекислоты, тяжелого газа, образующегося при многих химических превращениях и, в частности, при горении.

При обычной температурной среде молекула водорода пробегает около 2 километров в секунду, то есть около 7 ООО километров в час. Молекулы кислорода совершают за 1 секунду путь около 500 метров, то есть около 1 800 километров в час. Скорость движения молекул углекислоты — 1 200 километров в час. Еще медленнее движутся молекулы некоторых сложных веществ; например, молекулы вещества, называемого карбонилом никеля, проходят за час меньше 600 километров. Такую молекулу легко обгонит современный самолет.

Это удивительно. Действительно, молекулы водорода, двигаясь без препятствий, обогнули бы Землю вдоль экватора всего лишь за 6 часов. Даже медленная молекула углекислоты совершила бы это путешествие меньше чем за двое суток.

С другом стороны, мы знаем, как медленно распространяются запахи. Если на некотором расстоянии от нас разольют бензин, то для того, чтобы запах дошел до нас, необходимо некоторое время. Но ведь скорость распространения запаха это и есть как будто скорость движении молекулы пахучего вещества в воздухе. Как же примирить быстрое движение молекул, проходящих сотни метров в секунду, с медленным распространением запаха?

«Очевидно, что отдельные атомы воздуха, взаимно приблизившись, сталкиваются с ближайшими... вторые атомы друг от друга отпрыгнули, ударились в более близкие к ним и снова отскочили; таким образом, непрерывно отталкиваемые друг от друга частыми взаимными толчками, они стремятся рассеяться во все стороны»,
— писал М. В. Ломоносов.

Распространение одного газа в другом, в результате беспорядочного движения молекул, называется диффузией. Поэтому диффузия происходит медленно по причине взаимного соударения молекул! Хотя молекулы газов и движутся очень быстро, они проходят без соударения только очень короткие пути — миллионные доли миллиметра.

Из-за соударения резко меняются направления движения молекул и пути их движения приобретают причудливую, замысловатую форму.

Таким образом, двигаясь очень быстро, но в разных направлениях, молекулы как бы «толкутся» на месте. В этом суетливом движении молекулы медленно продвигаются вперед.

Чем чаще происходят соударения, тем медленнее диффундирует газ. В окружающем нас воздухе соударения молекул происходят очень часто. Если бы мы попытались сосчитать удары, которые испытывает молекула только за одну секунду, и при этом условились тратить одну минуту на сосчитывание ста ударов, то для этого понадобилось бы около двухсот лет.

Мега образование


Яндекс.Метрика