Частицы вещества и диффузия

Капля красителя постепенно размывается даже без ложки. Что перемешивает воду, если снаружи её никто не мешает? Проверим идею: видимый покой жидкости может скрывать непрерывное движение её частиц.

Если воду многократно делить на всё меньшие порции, обычный глаз перестанет различать детали задолго до отдельных частиц. Поэтому нужна модель: вещество состоит из атомов, молекул или ионов; между ними есть промежутки, частицы непрерывно движутся и взаимодействуют. Молекула воды состоит из атомов, а в поваренной соли важны ионы. Кружки на рисунке обозначают частицы условно: ни их размеры, ни промежутки на такой схеме не обязаны соответствовать масштабу.

Вообразим невидимую границу вокруг капли красителя. Частицы пересекают её в обе стороны, потому что движутся беспорядочно. Сначала внутри гораздо больше частиц красителя, поэтому оттуда их в среднем выходит больше, чем возвращается. Граница размывается. Такое взаимное проникновение частиц соприкасающихся веществ вследствие теплового движения называют диффузией. Когда цвет выровняется, движение не прекратится: исчезнет заметная разница между встречными переносами.

Откроем флакон в одном конце комнаты и включим вентилятор. Запах достигнет другого конца быстрее, но разве вентилятор заставил молекулы двигаться тепловым образом? Он прежде всего создал поток воздуха, несущий примесь целиком. Диффузия при этом продолжается поверх общего переноса. Это два разных механизма. Поэтому быстро дошедший запах сам по себе не измеряет скорость диффузии; для такой проверки нужно уменьшить движение воздуха.

Под микроскопом взвешенная крупинка беспорядочно меняет направление, хотя сосуд неподвижен. Представим множество очень маленьких ударов со всех сторон. Они почти уравновешиваются, но в каждый момент с одной стороны может оказаться чуть больше ударов. Крупинка получает случайный толчок, затем другой. Это броуновское движение частиц, взвешенных в жидкости или газе. Видим мы крупинку, намного большую молекул среды; по её движению судим о невидимых ударах.

Почему подогретая вода обычно смешивается быстрее? При большей температуре тепловое движение частиц в среднем интенсивнее. Температура описывает состояние всей среды, а не скорость одной избранной молекулы: у частиц скорости различаются и меняются. Абсолютную температуру обозначают T и в СИ измеряют в кельвинах, К; в быту пользуются градусами Цельсия, °C. Нагревать сосуд и перемешивать его ложкой — разные способы изменить наблюдаемую картину.

Сравним одинаковый краситель в тёплой и холодной воде, сохранив форму сосуда и способ внесения капли. В более тёплой воде диффузия обычно быстрее. Но попробуй предсказать помеху: неодинаковый нагрев может сам вызвать течение и переносить краситель потоком. Поэтому для проверки именно диффузии нужны условия без заметного течения. В газах частицы перемещаются свободнее; в жидкостях, а особенно в твёрдых телах, перемешивание обычно гораздо медленнее.

Краситель осторожно ввели в два одинаковых сосуда с водой: один тёплый, другой холодный. Воду не перемешивают. Почему в тёплой воде граница обычно размывается быстрее?

При большей температуре тепловое движение частиц интенсивнее, поэтому они быстрее перемешиваются.

Но нагрев может создать потоки воды. Чтобы вывод относился именно к диффузии, сравнивают условия без заметного течения.

Нагрев обычно ускоряет диффузию; перенос потоками следует отделять от неё.

Видимый покой вещества совместим с непрерывным движением его частиц.

Диффузия размывает разницу состава: частицы проходят в обе стороны, но из более богатой ими области их сначала уходит больше.

Броуновское движение показывает действие невидимых частиц на видимую крупинку; поток среды и нагрев меняют опыт по разным причинам.

Частицы движутся и в камне, и в воде. Следующий урок объяснит, почему свойства этих тел настолько различаются.