Landsberg-1985-T1

более крупные м;лекулы,' н;пример молекулы белка (аль­

бумин) имеют размеры 4,3 ·10-6 м. В fiоследние годы благо­ даря устройству специального прибора, позволяющего

исследовать объекты чрезвычайно малых размеров,- ЭЛект­

ронного микроскопа - оказалось возможным сфотографи­

ровать не только крупные молекулы, но и атомы.

О том, что размеры молекул чрезвычайно малы, можно

судить и без изыерений, исходя из возможности получать очень малые количества разных веществ. Разведя 1 мл чер­

нил (например, зеленых) в литре чистой воды, а затем раз­

ведя 1 мл этого раствора еще раз в литре воды, мы получим

разведение в 1 000000 раз. И все же мы увидим, что послед­

ний раствор имеет заые;ную зе.леную окраску и BM~CTe с тем

вполне однороден. Следовательно, в СiJ\Ю\! ыалом объеме, ~ который еще может различить

листки водным раствором циа­

ни~того калия, можно получать листки золота толщины

0,01 мкм. Следовательно, разыер молекулы золота значи­

тельно меньше одной сотой доли микрометра.

На рисунках мы будем изображать молекулы в виде ш8,­ риков. ОЩlако молекулы (а также, как увидим дальше, и атомы) имеют строение, различное у разных веществ, часто довольно сложное. Известны, например, форма и строение не только таких простых -молекул, как Н2О и СО2 (рис. 370), но и несравненно более сложных, содержащих многие

тысячи атомов.

§ 215. Микромир. Успехи в"изучении строения вещества, о

которых говорилось В предыдущих параграфах, раскрыли

перед исследователями природы новый мир - мир мель­

чайших частиц. Его называют МИКРО,'t{иром; в отличие от мира крупных тел, или макромира (от греческих слов:

«микрос» - малый, «макрос» - большой), микромир недо­ ступен непосредственному наблюдению, и для изучения его требуются особые, тонкие методы. Микромир оказался

чрезвычайно. сложным. Как уже говорилось, любое тело,

412

'коТорбе в механике· рассматривалось как сплошнcie, при

использовании HOBhtt методов исследований оказывалось

.сЛожной системой громадного числа непрерывно движущих­

ся молекул. Молекулы оказались состоящими из еще более

мелких частиц - атомов, причем в некоторых типах моле­

кул число атомов оказалось очень большим. В свою очередь

атомы оказались сложными системами, состоящими из

электронов и ядер, а сами ядра - состоящими из различ­

ных частиц, о которых будет рассказано в последнем томе

нашего учебника.

Конечно, все, что происходит и наблюдается в макроми­

ре.. взаимосвязано с состоянием частиц микромира и с их

изменениями. Изменения теплового состояния тел - темпе­

ратурные изменения и переход тел из одного СОСТ.Qяния В

другое, например из твердого в ж'идкое,- оказались свя­

занными, в основном, с изменениями движения молекул и

ИХ взаимного расположения. Химические превращения,'

наблюдаемые в микромире, связаны с изменениями атомного

Строение молекул или атомов, а также движения ато­ мов, составляющих молекулы, и движения частиц, образую­

ЩИХ атомы, проявляются в макромире в электрических, маг­

нитных, оптических и других явлениях. Эта необычайиая c.ltожноСть микромира представила бы непреодолимые труд­

нОСти для его познания, если бы нё удалось разумно расчле­

нить задачу. Оказывается возможным выделить более прос:

тые явления, обусловленные, например, молеку'лярныIии

движениями, при изучении которых можно пренебречь более тонкими процессами микромира; далее следует перей~ ти к изучению более тонких процессов и движений, связаН7

ныx со структурой атомов и молекул, оставляя в стороне

внутриядерные процессы, и т. д.

Таким образом, переходя от изучения более простых,

процессов и движений к более сложным, мы постепенно со­ ставляем себе все БOJ1ее детальную и глубокую картину мик­

ромира. Начнем с таких явлений, при которых можно не

обращать внимания на внутреннюю структуру молекул,

на движение составляющих молекулы атомов и на еще более

тонкие внутриатомные и внутриядерные процессы и движе­

ния. Сюда относится обширная группа тепловых явлений,

при которых молекулы можно рассматривать как неизмен­

ные малые тельца.

,Итак, приступая к' изучению микромира,' ограничимся

сначала изучением движения и расположения молекул, не

413

§2'f6. Внутренняя знерrИfl е точки зреR~ молекулярной теории. В предыдущей главе мы пJ"ишли к выводу, что, кроме мехаиической энергии некоторой сис~ тел, зави­ сящей от их скоростей (кинетическая энергия) и от их вза­ имного расположения (потенциальная энергия), каждому

из тел, составляющих систему, присуща его внутренняя

энергия, зависящая от состояния этого тела. Теперь можно уточнить понятие внутренней энергии. Внутренняя энергия

есть кинетическая и потенциальная энергия частиц, состав­ ляющих микромир: молекул, из которых СОСТОят макротела,

атомов, из которых состоят Молекулы, электронов й других

частиц, составляющих атомы. В предыдущем параграфе мы

указали, что в основном тепловые явления можно связать

только с движением и расположением молекул как неизмен­

ных простых частиц. Поэтому, изучая простые явления, мы

будем интересоваться только частью внутренней энергии тел, а именно, только кинетической энергией молекул, зависящей от скоростей их беспорядочного движения, и потеНl~иальной энергией молекул, зависящей от их взаим­

ного расположения.

В ,случае газов изменение внутренней энергии есть, в ос­ новном, изменение кинетической энергии· беспорядочного

движения их молекул; дело в том, что в газах взаимодейст­

вие между молекулами мало и изменениями потенциаль­

ной энергии при движении молекул можно пренебречь.

В жидкостях и твердыlx телах взаимодействие молекул весь­

ма велико, и изменение расстояния между ~олекулами

резко изменяет потенциаЛI?НУЮ энергию их взаимодействия.

Поэтому в случае жидких и твердых тел изменение внутрен­

ней энергии состоит и в изменении кинетической энергии

беспорядочного движения молекул, и в изменении потен­

циальной энергии их-взаимодеЙствия.

-в свете молекулярных представлений становится ясно,

что происходит, когда вследствие теплопроводности внут-

. ренняя энергия горячего тела (или горячей части тела) уменьшается, а холодного (или холодной части тела) уве­ Личивается. При взаимодействии молекул проие,ходит обмен

их скоростями, подобно тому как происходит обмен скорос­

тями при ударе упругих шаров (§ 102); ,а обмен скоростями связан с обменом кинетическими энергиями. В результате

этого внутренняя энергия, горячего тма уменьшается, а

холодного - увеличивается, т. е. происходит выравнива­

ние внутренней энергии, точнее, тои ее части, которая яв­

ляется кинетической энергией молекул. Orсюдi следует

вывод, что температура тела связана с кинетической энер-

414

гией молекул; !iЗ которых ОНО СОСТОИт. Подробнее будем

§ 217. МOJIеКУJIЯРНое движение. Сопоставим несколыю

простых фактов, позволяющих сделать заключение о дви­

жении молекул. Положим в стакан холодного чая кусок сахара. Сахар растает и образует густой сироп на дне ста­ кана. Этот сироп хорошо виден, если посмотреть сквозь стакан на свет. Оставим стакан в покое Щl несколько часов.

Останется ли сироп на дне стакана? Нет, он постепенно

разойдется по всему стакану. Это распространение сахара

по объему стакана происходит самопроизвольно, так как никто чая не перемешивал. Точно так же расходится по комнате запах (например, если открыть флакон с духами);

это происходит даже и в том случае, если воздух в комнате

совершенно неподвижен.

Произведем еще такой опыт: уравновесим на весах боль­ шэй открытый сверху сосуд. Если в этот сосуд напустить

углекислый газ, то равновесие нарушится, так как угле­

кислый газ тяжелее воздуха. Однако через некотэрое время равновесие восстановится. Дело в том, что углекислый газ

разойдется по всему помещению, а сосуд будет заполнен

воздухом с очень малой примесью углекислого газа. Во

всех этих случаях одно вещество (сахар,. пары ароматиче­

ских веществ, углекислый газ) распространяется в ДРУГQМ

(в воде, в воздухе). ЭТО явление, при котором два вещества

сами собой смешиваются друг с другом, назЫвается диффу­

зией. При ДljффУЗИИ вещество Р:аспространяется во все сто­

роны, также и вверх, т. е. против силы тяжести. Явление

диффузии показывает, что молекулы вещества все время движутся. Например, при диффузии сахара в воде разные

молекулPl растворенного сахара движутся в разные стороны

между тоже движущимися молекулами воды, и, такИМ обра­

зом, сахар постепенно распространяется по всему сосуду,

заполненному BOДO~

Итак, явление диффузии явно показывает, что МQЛекулы

все время движутся и притом в различных направлениях.

Такое движение молекул можно обнаружить не только в

газах и в жидкостях, но также и в твердых теЛах. Оно назыI­ вается .молекулярным тепловым движением.

Здесь может возникнуть вопрос: почему же мы при обыч­ ном наблюдении не замечаем этого движения в телах? То

есть почему тело не движется как целое, хотя все его моле­

кулы находятся в движении? Об'Ьяснение лежйт в том, что

при молекулярном движении разные молекулы движутся

/

415

в ~aMЫX раЗНQрбразных Снаправлениях, так, что TM<?'tВ це­

лом покоится. При полной беспорядочности движения моле­

кул и громадности их числа для любой молекулы найдется

другая молеКУЛа, летящая приблизительнctв противополож.

ную сторону С той же скоростью. Так как газ заключен в

оболочку, не дающую молекулам разлететься, то в газе

движение молекул сводится к беспорядочному движению

туда и обратно, по всем направлениям. Поэтому нет движе­ ния в какую-либо сторону.

§ 218. Молекулярное движение в газах, жидкостях и тВердых

телах. Движение молекул в газах имеет беспорядочный ха­

рактер: скорости молекул не· имеют какого-либо преиму­

щественного направления, а распределены хаотически по

всем направлениям. Вследствие столкновений молекул меж­ ду собой скорости их все время меняются как по направле­

нию, так ,и по модулю: Поэтому скорости молекул могут сильно различаться между собой. В любой момент в газе

есть и молекулы, движущиеся чрезвычайно быстро, и моле­ кулы, движущиеся сравнительно медленно. Однако число

молекул, движущихся значительно медленнее или значи­

тельно быстрее, чем остальные, мало. Большинство моле­

кул движется со скоростями, сравнительно мало отличаю­

щимися от некоторой средней скорости, зависящей от рода

ном давлении и О ос средняя длина свободного пробега молекул воздуха равна примерно 1.O-~-1O-7 м (рис. 371).

416

г n а в" XIII. СВОIiIСТВА rАЗОВ

§ 221. Давление ~аза. Мы уже говорили (§ 220), что газы

всегда нацело заполняют объем, ограниченный непроницае­

мыми для газа стенками. Так, например, стальной баллон,

употребляемый в технике для хранения сжатых газов

(рис. 375), или камера автомобильной

шин):'! полностью и· практически равно-

мерно заполнены газом.

Стремясь расшириться, газ оказыва­

ет давление на стенки баллона, камеры шины или любого другого тела, твер­

дого или жидкого, с которым он со­

прикасается. Если не принимать во вни­

мание действия поля тяжести Земли, ко­

торое при обычных размерах сосудов

лишь ничтожно меняет давление, то при

равновесии давление газа в сосуде

uредставляется нам совершенно равно-

мерным. Это замечание относится к мак­ ромиру. Если же представить себе, что

'происходит в микромире молекул, со­ ставляющих газ в сосуде, то ни о каком

тах удары отсутствуют; эта картина все

время беспорядочным образом меняется.

Допустим для простоты, что все молекулы до удара о стенку летят с одинаковой скоростью 'V, направленной по

нормали к стенке. Будем также считать удар абсолютно упругим. При этих условиях скорость молекулы при ударе

будет изменять направление на обратное, оставаясь неиз·

м~н~ой по модулю. Следовательно, CKOPOC'ГJ;> молекулы пас·' ле yд~pa будет равна -'V. Соответст.веННQЦМПУ.лъс молекулы

41'