Номер 2, страница 5 - гдз по физике 8 класс учебник Громов, Родина

Глава 1. Внутренняя энергия. Параграф 1. Температура. Вспомните - номер 2, страница 5.

Условие.

Что такое броуновское движение и диффузия?

Решение.

Броуновское движение

Броуновское движение — это беспорядочное, хаотическое движение микроскопических частиц (например, пыльцы, взвешенных в капле воды, или частиц дыма в воздухе), взвешенных в жидкости или газе. Это движение никогда не прекращается и является прямым следствием теплового движения молекул среды.

Причина явления: Окружающие броуновскую частицу молекулы жидкости или газа находятся в непрерывном хаотическом движении. Они постоянно и со всех сторон сталкиваются с частицей. Поскольку частица очень мала, число ударов молекул с разных сторон в каждый момент времени неодинаково. Если с одной стороны на частицу налетает больше молекул, чем с другой, или они имеют большую скорость, возникает результирующая сила, которая сдвигает частицу. В следующий момент времени эта неуравновешенная сила меняет свое направление случайным образом, заставляя частицу двигаться по сложной, зигзагообразной траектории.

История и значение: Явление было открыто в 1827 году шотландским ботаником Робертом Броуном, который наблюдал в микроскоп движение пыльцевых зёрен в воде. Теоретическое объяснение было дано Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Его работа стала одним из важнейших доказательств существования атомов и молекул и подтвердила справедливость молекулярно-кинетической теории.

Средний квадрат смещения броуновской частицы за время $\text{t}$ описывается формулой Эйнштейна-Смолуховского:

$ \langle r^2 \rangle = 6Dt $

где $ \langle r^2 \rangle $ — средний квадрат смещения, $\text{D}$ — коэффициент диффузии, $\text{t}$ — время наблюдения. Коэффициент диффузии $\text{D}$ в свою очередь зависит от температуры $\text{T}$, вязкости среды $\eta$ и радиуса частицы $\text{a}$:

$ D = \frac{k_B T}{6 \pi \eta a} $

где $k_B$ — постоянная Больцмана.

Интенсивность броуновского движения увеличивается с повышением температуры и уменьшением вязкости среды и размера частиц.

Ответ: Броуновское движение — это видимое под микроскопом хаотическое движение взвешенных в жидкости или газе микрочастиц, происходящее под действием неуравновешенных ударов молекул окружающей среды.

Диффузия

Диффузия — это процесс взаимного проникновения частиц одного вещества в другое, обусловленный тепловым движением атомов, молекул или других частиц. Этот процесс приводит к самопроизвольному выравниванию концентрации вещества по всему занимаемому объёму и установлению термодинамического равновесия.

Причина явления: Как и броуновское движение, диффузия является следствием хаотического теплового движения частиц вещества. Каждая частица (атом, молекула) движется беспорядочно. Хотя движение отдельной частицы случайно, совокупное движение большого числа частиц из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией является статистически более вероятным, чем обратное. В результате возникает направленный поток вещества, который стремится выровнять концентрацию.

Примеры:

– Распространение запаха духов или дыма в воздухе.

– Растворение сахара или соли в воде даже без перемешивания.

– Окрашивание воды, в которую капнули чернила.

Скорость диффузии зависит от нескольких факторов:

– Температура: Чем выше температура, тем больше кинетическая энергия частиц и тем быстрее происходит диффузия.

– Агрегатное состояние: Диффузия протекает наиболее быстро в газах, медленнее в жидкостях и очень медленно в твёрдых телах.

– Масса частиц: Лёгкие частицы движутся быстрее и, следовательно, диффундируют быстрее тяжёлых.

Количественно процесс диффузии описывается законами Фика. Первый закон Фика связывает диффузионный поток $\text{J}$ (количество вещества, проходящего через единицу площади в единицу времени) с градиентом концентрации $\frac{dC}{dx}$:

$ J = -D \frac{dC}{dx} $

Знак минус указывает, что поток направлен в сторону уменьшения концентрации.

Связь с броуновским движением: Оба явления — проявления теплового движения. Броуновское движение — это микроскопическое наблюдение случайного "блуждания" отдельной частицы. Диффузия — это макроскопический процесс переноса вещества, который является результатом таких случайных блужданий огромного числа частиц.

Ответ: Диффузия — это процесс самопроизвольного переноса вещества из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией, обусловленный хаотическим тепловым движением частиц.