Движение молекул

Горный хрусталь, кварцевое стекло и многие другие вещества являются соединением атомов двух различных элементов. Если условиться изображать атомы одного из этих элементов чёрными кружками, а атомы другого белыми, то интересующее нас соотношение в расположении частиц несколько упрощённо будет изображено на рисунке 12. Слева на рисунке представлено расположение атомов в кристаллах, а справа — в стекле. Мы видим, что порядок, наблюдаемый в расположении атомов в крис галле, нарушается при превращении последнего в стекло. Однако полностью порядок в стекле не исчезает. Возле каждого атома, взятого в отдельности, порядок сохраняется неизменным, но он оказывается нарушенным, если рассматривать всё твёрдое тело целиком.

Может показаться, что в этом мире порядка, где каждая частица занимает определённое место, нельзя говорить о движении частиц. Однако это не так. И в кристаллах частицы находятся в вечном движении.

Рис. 12. Расположение атомов в воображаемом плоском кристалле (слева) и в таком же стекле (справа).

Какое же движение могут совершать частицы, занимающие неизменное положение?

Многие из вас помнят детскую загадку: "что весь день идёт, а с места не сходит?" Разгадка — "часы".

Действительно, взгляните, например, на часы-"ходики". Неутомимо снуёт взад и вперёд маятник ходиков, отсчитывая время. Вперёд, назад, снова вперёд и снова назад движется укреплённый на маятнике кружок. Мы говорим, что маятник колеблется.

Подобным же образом колеблются бесчисленные частички, образующие кристаллы.

При невысоких температурах размах колебаний, совершаемых отдельными частицами, невелик. Это позволяет получать электронно-фотографические изображения крупных молекул, подобные приведённому на рисунке 2.

Если подсчитать путь, пробегаемый колеблющимися атомами за одну секунду, сложив вместе отдельные совершаемые ими за это время колебания, то мы заметим, что этот путь будет зависеть от температуры. Чем выше температура, тем больше путь, а следовательно-, тем больше частота и размах совершаемых частицами колебаний.

Таким образом, и в случае твёрдых тел, так же как и в случае жидкостей и газов, для объяснения теплоты не надо прибегать к помощи таинственной "тепловой материи"; мы (можем вместе с Ломоносовым сказать: "теплота состоит во внутреннем движении материи".

Частицы твёрдых тел способны и перемещаться с места на место, но число таких "кочующих" частиц в твёрдых телах невелико. Однажды был проделан такой опыт: на тоненький золотой листочек был поставлен цилиндрик, сделанный из свинца, и оставлен в таком положении в покое. Спустя четыре года свинцовый цилиндрик был распилен сверху вниз, и оказалось, что частички золота, правда в ничтожных количествах, встречались по всей толще свинцового цилиндра. Этот опыт наглядно доказал, что какая-то доля частичек золота способна не только колебаться, но и перемещаться с места на место.

Таков характер движения (молекул в газообразных, жидких и твёрдых телах. Посмотрим теперь, как знание законов этого движения помогает нам объяснять многие явления, помогает покорять природу.

7. Молекулярная артиллерия

Газы и пары играют важную роль в различных машинах. Водяной пар толкает поршень в цилиндрах паровых машин, приводит в быстрое движение колёса турбин. Газы, образующиеся при сгорании топлива, заставляют работать различные двигатели внутреннего сгорания, приводя в движение автомобили, тракторы, самолёты. Вылетающие из реактивного двигателя газы сообщают большие скорости реактивным самолётам. Газы, получающиеся при взрыве пороха, придают огромные скорости снарядам различных орудий.

Для увеличения промышленной мощи нашей родины, для того чтобы строить хорошие турбины, паровозы, тракторы, для укрепления обороны страны, для постройки мощных пушек, для создания самолётов — всюду необходимо знание свойств газов.

Понять и объяснить свойства газов позволяет движение молекул. Знание законов этого движения даёт возможность предвидеть поведение газов в различных условиях.

Разберёмся в этом.

Если уменьшать объём, занимаемый каким-либо Газом, газ сопротивляется этому. Совершенно отчётливо это можно ощущать, когда накачивают воздухом велосипедную шину.

Сопротивление газа сжатию называют упругостью. Упругость — одно из основных свойств всех газов.

Как объяснить упругость, в чём её причина?