อนุภาคของสารและการแพร่

หยดสีค่อย ๆ กระจายออกแม้ไม่มีช้อนคน อะไรทำให้สารในน้ำผสมกันทั้งที่ไม่มีใครคน? ลองทดสอบแนวคิดว่า ของเหลวที่ดูนิ่งอาจมีอนุภาคเคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลา

ลองแบ่งน้ำเป็นส่วนเล็กลงเรื่อย ๆ ตาเปล่าจะมองไม่เห็นรายละเอียดก่อนจะถึงระดับอนุภาคเดี่ยวมาก เราจึงต้องใช้แบบจำลอง: สารประกอบด้วยอะตอม โมเลกุล หรือไอออน มีช่องว่างระหว่างอนุภาค และอนุภาคเคลื่อนที่กับมีอันตรกิริยากันตลอดเวลา โมเลกุลน้ำประกอบด้วยอะตอม ส่วนเกลือแกงประกอบด้วยไอออน วงกลมในภาพเป็นสัญลักษณ์แทนอนุภาค ทั้งขนาดและช่องว่างจึงไม่จำเป็นต้องตรงตามมาตราส่วนจริง

สมมติว่ามีขอบเขตล้อมหยดสี อนุภาคเคลื่อนที่แบบสุ่มข้ามขอบเขตได้ทั้งสองทิศ ตอนแรกด้านในมีอนุภาคสีมากกว่า จึงมีอนุภาคออกไปมากกว่ากลับเข้าโดยเฉลี่ย ขอบเขตของสีจึงค่อย ๆ เลือนออก การที่อนุภาคของสารที่สัมผัสกันแทรกเข้าไปผสมกันด้วยการเคลื่อนที่เนื่องจากความร้อนเรียกว่า การแพร่ เมื่อสีสม่ำเสมอแล้ว อนุภาคยังเคลื่อนที่ เพียงแต่การเคลื่อนย้ายสวนกันทั้งสองทางไม่มีผลต่างที่เห็นได้ชัด

เปิดขวดที่มีกลิ่นด้านหนึ่งของห้องแล้วเปิดพัดลม กลิ่นถึงอีกด้านเร็วขึ้น แต่พัดลมเป็นผู้ทำให้โมเลกุลเริ่มเคลื่อนที่เนื่องจากความร้อนหรือ? ผลหลักของพัดลมคือสร้างกระแสอากาศที่พาสารมีกลิ่นไปด้วย ส่วนการแพร่ยังเกิดควบคู่กับการเคลื่อนย้ายโดยกระแส ทั้งสองเป็นคนละกลไก กลิ่นที่มาถึงเร็วจึงไม่ได้บอกอัตราการแพร่โดยตรง หากต้องการทดสอบการแพร่ ต้องลดกระแสอากาศ

เมื่อมองผ่านกล้องจุลทรรศน์ เม็ดเล็กที่แขวนลอยเปลี่ยนทิศอย่างไม่แน่นอนทั้งที่ภาชนะอยู่นิ่ง ลองนึกถึงการชนเล็ก ๆ จากทุกด้าน ซึ่งเกือบหักล้างกัน แต่ขณะหนึ่งด้านหนึ่งอาจถูกชนมากกว่าเล็กน้อย เม็ดจึงถูกผลักแบบสุ่มครั้งแล้วครั้งเล่า นี่คือการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนของอนุภาคเล็กที่แขวนลอยในของเหลวหรือแก๊ส สิ่งที่เราเห็นคือเม็ดที่ใหญ่กว่าโมเลกุลของตัวกลางมาก เราใช้การเคลื่อนที่ของมันเป็นหลักฐานของการชนที่มองไม่เห็น

เหตุใดน้ำที่อุ่นขึ้นจึงมักผสมกับสารอื่นได้เร็วขึ้น? ที่อุณหภูมิสูงกว่า การเคลื่อนที่เนื่องจากความร้อนของอนุภาคเข้มข้นขึ้นโดยเฉลี่ย อุณหภูมิบอกสภาวะของตัวกลางโดยรวม ไม่ใช่อัตราเร็วของโมเลกุลใดโมเลกุลหนึ่ง เพราะอัตราเร็วของอนุภาคต่างกันและเปลี่ยนแปลงอยู่เสมอ อุณหภูมิสัมบูรณ์ใช้สัญลักษณ์ T และหน่วย SI คือเคลวิน К ส่วนชีวิตประจำวันใช้องศาเซลเซียส °C การให้ความร้อนกับภาชนะและการใช้ช้อนคนเปลี่ยนสิ่งที่เห็นด้วยกลไกต่างกัน

เปรียบเทียบสีชนิดเดียวกันในน้ำอุ่นกับน้ำเย็น โดยใช้ภาชนะรูปทรงเดียวกันและหยดสีด้วยวิธีเดียวกัน ในน้ำอุ่นการแพร่มักเร็วกว่า แต่ลองคาดการณ์สิ่งรบกวน: ความร้อนที่ไม่สม่ำเสมออาจทำให้น้ำไหลและพาสีไปด้วย หากจะตรวจสอบเฉพาะการแพร่ จึงต้องไม่มีการไหลที่เห็นได้ชัด อนุภาคในแก๊สเคลื่อนที่ได้อิสระกว่า ส่วนในของเหลวและโดยเฉพาะของแข็ง การผสมมักช้ากว่ามาก

ค่อย ๆ ใส่สีลงในภาชนะเหมือนกันสองใบ ใบหนึ่งมีน้ำอุ่น อีกใบมีน้ำเย็น โดยไม่คน เหตุใดขอบเขตของสีในน้ำอุ่นจึงมักเลือนออกเร็วกว่า?

ที่อุณหภูมิสูงกว่า อนุภาคเคลื่อนที่เนื่องจากความร้อนเข้มข้นขึ้น จึงผสมกันเร็วขึ้น

แต่การให้ความร้อนอาจสร้างกระแสน้ำ เพื่อให้ข้อสรุปเกี่ยวกับการแพร่โดยตรง ต้องเปรียบเทียบในสภาวะที่ไม่มีการไหลเห็นได้ชัด

การให้ความร้อนมักเร่งการแพร่ แต่ต้องแยกออกจากการเคลื่อนย้ายโดยกระแสน้ำ

สารที่ดูเหมือนอยู่นิ่งยังมีอนุภาคเคลื่อนที่ตลอดเวลาได้

การแพร่ลดความแตกต่างขององค์ประกอบ อนุภาคผ่านได้ทั้งสองทิศ แต่ตอนแรกออกจากบริเวณที่มีอนุภาคชนิดนั้นหนาแน่นกว่ามากกว่า

การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนแสดงผลของอนุภาคที่มองไม่เห็นต่อเม็ดที่เห็นได้ กระแสของตัวกลางและการให้ความร้อนเปลี่ยนผลการทดลองด้วยเหตุคนละอย่าง

อนุภาคเคลื่อนที่ทั้งในหินและในน้ำ บทถัดไปจะอธิบายว่าเหตุใดวัตถุเหล่านี้จึงมีสมบัติต่างกันมาก