§ 1. Асноўныя палажэнні малекулярна-кінетычнай тэорыі
Цеплавы рух часціц рэчыва. Малекулы, атамы і іншыя часціцы, якія ўтвараюць рэчыва, знаходзяцца ў бесперапынным цеплавым руху.
Цеплавы рух — хаатычны рух часціц рэчыва, інтэнсіўнасць якога залежыць ад тэмпературы цела.
У 1827 г. англійскі батанік Роберт Броўн (1773–1858), назіраючы ў мікраскоп завісь кветкавага пылку ў вадзе, выявіў, што часціцы завісі бесперапынна рухаліся, прычым па вельмі мудрагелістых траекторыях. Гэты рух часціц, прызнаны эксперыментальным пацвярджэннем цеплавога руху часціц рэчыва, назвалі броўнаўскім рухам.
Броўнаўскі рух — хаатычны рух узважаных* у вадкасці або газе драбнюткіх нерастваральных цвёрдых часціц памерамі прыкладна 1 мкм і менш.
Броўнаўскія часціцы рухаюцца бесперапынна і хаатычна, а траекторыі іх руху вельмі складаныя. На малюнку 7 паказана спрошчаная траекторыя руху броўнаўскай часціцы. Пунктамі пазначаны становішчы часціцы праз аднолькавыя прамежкі часу. Траекторыя руху на працягу кожнага прамежку часу заменена адрэзкам прамой, які ўяўляе з сябе модуль рэзультуючага перамяшчэння часціцы.
Броўнаўскі рух абумоўлены ўласцівасцямі вадкасці або газу. Ён не залежыць ад прыроды рэчыва броўнаўскай часціцы і знешніх уздзеянняў (акрамя тэмпературы). Прычынай броўнаўскага руху з’яўляецца цеплавы рух часціц асяроддзя, у якім знаходзіцца броўнаўская часціца, і адсутнасць дакладнай кампенсацыі ўдараў, якія часціца зведвае з боку навакольных малекул (атамаў або іонаў) (мал. 8), бо рух малекул мае выпадковы характар.
Калі ўзважаная часціца даволі значная па памерах, то колькасць малекул, якія налятаюць на яе з усіх бакоў, надзвычай вялікая. Іх удары ў кожны момант часу кампенсуюцца, і часціца застаецца на месцы. Чым меншыя памеры і маса броўнаўскай часціцы, тым лягчэй заўважыць змяненне яе імпульсу пад уздзеяннем удараў малекул. Гэтыя ўдары не ўраўнаважваюць адзін аднаго, а спараджаюць рэзультуючую сілу, якая змяняецца па велічыні і напрамку. Гэта і з'яўляецца прычынай таго, што броўнаўская часціца рухаецца выпадковым чынам па ўсім аб’ёме, які займае вадкасць або газ.
Інтэнсіўнасць руху броўнаўскіх часціц узрастае з павышэннем тэмпературы і памяншэннем вязкасці асяроддзя. Броўнаўскі рух ледзь прыкметны ў гліцэрыне, а ў газах ён, наадварот, надзвычай інтэнсіўны.
1. Ці можна лічыць броўнаўскім хаатычны рух пылінак у паветры (мал. 9)?
2. Пры разглядзе ў мікраскоп кроплі крыві можна ўбачыць на фоне бясколернай вадкасці чырвоныя крывяныя цельцы, якія бесперапынна і хаатычна рухаюцца (мал. 10). Як можна растлумачыць гэтую з’яву?
З гісторыі фізікі
Першую колькасную тэорыю броўнаўскага руху прапанаваў у 1905 г. Альберт Эйнштэйн (1879–1955). Польскі фізік Марыян Смалухоўскі (1872–1917) у 1906 г. таксама распрацаваў колькасную тэорыю броўнаўскага руху. Эксперыментальнае пацвярджэнне прапанаванай вучонымі тэорыі з’явілася заслугай французскага фізіка Жана Пярэна (1870–1942). «За доказ існавання малекул» Ж. Пярэну прысуджана Нобелеўская прэмія па фізіцы за 1926 г.
Яшчэ адным пацвярджэннем цеплавога руху часціц (малекул, атамаў або іонаў) рэчыва з’яўляецца дыфузія (лац. diffusio — распаўсюджанне, расцяканне, рассейванне).
Дыфузія — працэс узаемнага пранікнення часціц аднаго з рэчываў, якія судакранаюцца, паміж часціцамі другога рэчыва з прычыны іх цеплавога руху.
Калі часціцы рэчываў пры судакрананні размеркаваны ў прасторы неаднародна, то гэта прыводзіць да самаадвольнага выраўноўвання іх канцэнтрацый.
Канцэнтрацыя часціц — фізічная велічыня, лікава роўная колькасці часціц, якія змяшчаюцца ў адзінкавым аб’ёме:
Калі ў розных частках аднаго і таго цела канцэнтрацыі часціц не супадаюць, то з прычыны іх цеплавога руху пры пастаяннай тэмпературы і адсутнасці знешніх сіл адбываецца ўпарадкаванае перамяшчэнне. Яно прыводзіць да выраўноўвання канцэнтрацый (мал. 11).
Скорасць дыфузіі залежыць ад характару руху часціц рэчыва, які вызначаецца тэмпературай і асабліва агрэгатным станам. У газах дыфузія адбываецца хутчэй, чым у вадкасцях, а тым больш у цвёрдых целах.
Дыфузія мае важнае значэнне ў прыродзе і тэхніцы. Дзякуючы дыфузіі ажыццяўляецца сілкаванне раслін неабходнымі рэчывамі з глебы, у жывых арганізмах адбываецца ўсмоктванне пажыўных рэчываў праз сценкі сасудаў стрававальнага тракту. Для павелічэння цвёрдасці сталёвых дэталей іх паверхневы слой дыфузна насычаюць вугляродам. Дыфузію выкарыстоўваюць у ядзерных тэхналогіях як адзін са спосабаў абагачэння ўрану.
Што агульнага паміж броўнаўскім рухам і дыфузіяй? Чым яны адрозніваюцца?
Цікава ведаць
Упершыню на свае вочы пераканацца, што дыфузія адбываецца не толькі ў газах і вадкасцях, але і ў цвёрдых целах, удалося ў 1896 г. англійскаму металургу Робертсу-Аўстэну. Ён прыціснуў адзін да аднаго залаты дыск і свінцовы цыліндр і змясціў іх на 10 сутак у печ, дзе падтрымлівалася тэмпература 200 °С. Калі печ адчынілі і вынялі з яе дыск і цыліндр, высветлілася, што іх немагчыма раз’яднаць. Дыфузія прывяла да таго, што золата і свінец літаральна «прараслі» адно ў адно. У цяперашні час такая тэхналогія злучэння дэталей добра вывучана і атрымала назву дыфузійнай зваркі.
* Узважаныя часціцы — гэта часціцы са шчыльнасцю рэчыва, параўнальнай са шчыльнасцю асяроддзя (вадкасці або газу), у якім яны знаходзяцца, размеркаваныя пэўным чынам па ўсім аб’ёме гэтага асяроддзя. ↑