Топлинно движение на частиците

Частиците никога не стоят на място

Всяко вещество е изградено от много малки градивни частици – атоми и молекули. Те се движат постоянно. Това движение се нарича топлинно движение. То е:

• хаотично – всяка частица сменя посоката си при всеки удар с друга;
• масово – движат се всички частици, а не само някои;
• непрекъснато – не спира с времето и не спира при 0 °C. В затворен съд частиците не се „уморяват“: при ударите те само си разменят енергия.

Знаеш ли, че… през 1827 година ботаникът Робърт Браун вижда под микроскоп как зрънца полен във водата се лашкат безредно. През 1905 година. Алберт Айнщайн обяснява защо: удрят ги молекулите на водата, всеки път от друга страна. Това е Брауновото движение – виж „прашинката“ в симулацията.

Температура и скорост на частиците

Колкото по-висока е температурата, толкова по-бързо се движат частиците средно. Не всички имат една и съща скорост: има много частици със средни скорости, малко много бавни и малко много бързи.

• Атомите на аргона при 20 °C летят средно с около 394 m/s – по-бързо от звука във въздуха (около 343 m/s). При 0 °C – с около 380 m/s. Частиците не спират!
• Скоростта расте бавно: от 20 °C на 40 °C тя се увеличава само с около 3 %. За двойна скорост абсолютната температура трябва да стане четири пъти по-висока.
• При една и съща температура атомите на хелия се движат около 3 пъти по-бързо от атомите на аргона. Те са 10 пъти по-леки, а средната енергия на движение (E_к = mv²/2) на един атом е еднаква. Затова казваме, че двата газа в един съд са в топлинно равновесие – имат обща температура.
• Самите частици не се „надуват“ при нагряване. Сменя се само скоростта им.

Температура и вътрешна енергия

Температурата е свързана със средната енергия на движение на една частица. Вътрешната енергия е сборът от енергиите на всички частици на тялото.

Два съда с газ при една и съща температура, но с двойно повече частици в единия: термометрите показват едно и също, а вътрешната енергия на втория съд е два пъти по-голяма. Температурата е като средната оценка на класа, а вътрешната енергия – като сбора от точките на всички.

Скалите на Целзий и на Келвин

Температурата по Целзий t се измерва в °C. Абсолютната температура T се измерва в келвини (K, без знака °). Връзката е:

T = t + 273,15

• 0 °C = 273,15 K; 20 °C = 293,15 K; 100 °C = 373,15 K; 300 K = 26,85 °C.
• Една „стъпка“ е еднаква в двете скали: ако водата се затопли от 15 °C до 60 °C, температурата е нараснала с 45 °C, тоест с 45 K.
• 0 K = −273,15 °C е абсолютната нула. До нея не може да се стигне.
• Отношение на температури има смисъл само в келвини. 80 °C не е „четири пъти по-топло“ от 20 °C: 353,15 K / 293,15 K ≈ 1,2.

Капка мастило в топла и в студена вода

Частиците на водата блъскат частиците на мастилото и те се разпръскват. Това разпръскване се нарича дифузия. В топлата вода то е по-бързо: от 20 °C до 80 °C мастилото се разпръсква около 3,4 пъти по-бързо, макар абсолютната температура да расте само 1,2 пъти. Топлата вода е по-малко „гъста“ и пречи по-малко.

Знаеш ли, че… в симулацията водата е напълно спокойна и петното стига 1 cm за часове (затова 1 s на екрана е 30 min). В истинска чаша мастилото се смесва за минути главно заради теченията във водата. Посоката е същата: в топлата вода – по-бързо.

Кое в симулацията е истинско

• Числата на термометъра и скоростомера са за истински газ при тази температура.
• Частиците в съда са силно уголемени, много по-гъсти и много по-бавни от истинските – иначе нямаше да се видят. Газът е само хелий и аргон: атомите им не се въртят, затова цялата им вътрешна енергия е енергия на движение.
• „Прашинката“ е само 100 пъти по-тежка от атом на аргона. Истинският полен е милиарди пъти по-тежък.

Безопасност

• Опитът с мастило в клас: водата до 60 °C, в стабилна чаша, далеч от ръба на масата. Никога вряла вода в тънко стъкло.
• Мастилото и багрилата цапат: ползвай хранително багрило или съвсем малко мастило.