Уравнение Бернулли – вывод формулы, физический смысл, примеры использования

Уравнение Бернулли

Уравнение Бернулли для струйки жидкости формулируется следующим образом: для элементарной струйки идеальной жидкости полная удельная энергия, т.е. сумма удельной энергии положения, удельной энергии давления и кинетической удельной энергии – есть величина постоянная во всех сечениях струйки.

Уравнение Бернулли выглядит так:

Подробное описание всех входящих в состав уравнения параметров уже описан в этой статье.

Содержание статьи

Смысл уравнения Бернулли

По существу вывода уравнение Бернулли для струйки идеальной жидкости представляет собой закон сохранения механической энергии, составленный применительно к единице массового расхода жидкости. Это следует из того, что в процессе вывода значения работы сил, приложенных к выделенному объему струйки и значения кинетической энергии этого объема были поделены на величину ρqΔT.

Отсюда вытекает, что поскольку член υ 2 /2 является мерой кинетической энергии единицы массы движущейся жидкости, то сумма членов gz+p/ρ будет мерилом ее потенциальной энергии.

В отношении величины gz это очевидно, ведь если частица жидкости массы m расположена на высоте z относительно некоторой плоскости и находится под действием сил тяжести, то способность ее совершить работу, т.е. её потенциальная энергия относительно этой плоскости равняется mgz. Но если её поделить на массу частиц m, то эта часть потенциальной энергии даст величину gz.

Для более ясного физического представления о том, что потенциальная энергия измеряется величиной p/ρ рассмотрим такую схему: пусть к трубе, заполненной жидкостью с избыточным давлением p, присоединен пьезометр, снабженный на входе в него краном.

Кран сначала закрыт, т.е. пьезометр свободен от жидкости, а элементарный объем жидкости ΔV массой ρ*ΔV перед краном находится под давлением p.

Если затем открыть кран, то жидкость в пьезометре поднимется на некоторую высоту, равную

Таким образом, единица массы, находящейся под давлением p, как бы несет в себе ещё заряд потенциальной энергии, определяемой величиной p/ρ.

В гидравлике для характеристики удельной энергии обычно используется понятие напор, под которым понимают энергию жидкости, отнесенную к единице силы тяжести, а не её массы. В соответствии с этим уравнение Бернулли записанное в начале этой статьи примет вид

Такое уравнение Бернулли для элементарной струйки идеальной жидкости в другой форме, весьма удобно для гидравлических расчетов и может быть сформулировано следующим образом.

Для элементарной струйки идеальной жидкости полный напор, т.е. сумма геометрического, пьезометрического и скоростного напоров, есть величина постоянная во всех её сечениях.

Отсюда следует, что между напором и удельной энергией существует очень простая зависимость

где э – удельная энергия

Уравнение Бернулли для элементарной струйки реальной жидкости

Если вместо идеальной жидкости рассматривать жидкость реальную, то уравнение Бернулли для реальной жидкости должно принять несколько другой вид.

При движении идеальной жидкости её полная удельная энергия или напор сохраняет постоянное значение по длине струйки, а при движении реальной жидкости эта энергия будет убывать по направлению движения. Причиной этого являются затраты энергии на преодоление сопротивлений движению, обусловленные внутренним трением в вязкой жидкости.

Если же мы рассмотрим два сечения для струйки идеальной жидкости: 1-1 в начале и 2-2 в конце струйки, то полная удельная энергия будет

Полная удельная энергия для сечения 1-1 всегда будет больше, чем полная удельная энергия для сечения 2-2 на некоторую величину потерь, и уравнение Бернулли в этом случае получается

Величина Э_1-2 представляет собой меру энергии, потерянную единицей массы жидкости на преодоление сопротивлений при её движениями между указанными сечениями.

Соответствующий этой потере удельной энергии напор называют потерей напора между сечениями 1-1 и 2-2 и обозначают h_1-2 . Поэтому уравнение Бернулли для элементарной струйки реальной жидкости можно представить в виде

Уравнение Бернулли для потока реальной жидкости

Уравнение Бернулли для струйки реальной жидкости это еще только половина дела, ведь в при решении различных практических вопросов о движении жидкостей приходится иметь дело с потоками конечных размеров. Уравнение Бернулли в этом случае может быть получено, исходя из рассмотрения потока как совокупности множества элементарных струек.

Учитывая, что все струйки движутся с одной и той же средней скоростью форма записи уравнения Бернулли для потока идеальной жидкости становится идентичной его записи для элементарной струйки.

В таком виде уравнение Бернулли обычно и применяется при решении практических задач для потоков однородной несжимаемой жидкости при установившемся движении, происходящем под действием одной силы тяжести.

Такое уравнение составляется для различных живых сечений потока, вблизи которых движение жидкости должно удовлетворять условиям медленно изменяющегося движения, хотя на пути между этими сечениями движение может и не удовлетворять указанным условиям.

Слагаемое h_1-2 в этом уравнении показывает потери напора на преодоление сопротивлений движению жидкости. При этом в гидравлике различают два основных вида сопротивлений:
– h_лп – линейные потери – сопротивления, проявляющиеся по всей длине потока, обусловленные силами трения частиц жидкости друг о друга и о стенки, ограничивающие поток.
– h_мп – местные потери – местные сопротивления, обусловленные различного рода препятствиями, устанавливаемыми в потоке (задвижка, кран, колено), приводящими к изменениям величины или направления скорости течения жидкости

Поэтому полная потеря напора между двумя сечениями потока при наличии сопротивлений обоих видов будет

Видео по теме

Уравнение Бернулли подходит и для газов. Явление уменьшения давления при повышении скорости потока является основой работы различных приборов для измерения расхода. Закон Бернулли справедлив и для жидкостей вязкость которых равна нулю. При описании течения таких жидкостей используют уравнение Бернулли с добавлением слагаемых учитывающих потери на местные сопротивления.

Уравнение Бернулли — вывод формулы, физический смысл, примеры использования

Зависимость между скоростью жидкости, находящейся в неизменном состоянии, и давлением определяется уравнением Бернулли. Этот закон нашёл широкое применение в гидродинамике: при расчётах трубопроводов и измерениях расхода жидкостей. Практически все нормальные дроссельные расходомеры изготавливаются на основе исследований, выполненных швейцарским физиком и математиком.

Исследования учёного

Даниил Бернулли родился в Голландии в 1700 году. В 1725 году он начал работать на кафедре физиологии, где увлёкся основами теоретической физики. Через 25 лет он возглавил кафедру экспериментальной физики, которой и руководил до конца своих дней. Основным его трудом считается создание теории гидродинамической зависимости, известной как Закон Бернулли. Открытие учёного предвосхитило зарождение молекулярно-кинетического учения поведения газов.

Причиной открытия принципа стало изучение действия закона сохранения энергии в различных ситуациях. Бернулли установил, что давление жидкости в замкнутом пространстве зависит от сечения объекта, в котором она находится. Чем меньше сечение трубы, тем ниже будет созданное давление в пропускаемом через неё жидком веществе.

Этот факт был доказан экспериментально и описан математически.

Правило в математической формулировке имеет вид (pv 2 / 2) + p * g * h + ρ = const, где:

p — количество жидкости на единицу объёма;
v — скорость движения потока;
h — уровень, на который поднят элемент жидкости;
ρ — сила, действующая на единицу площади;
g — ускорение, придаваемое жидкости под действием притяжения Земли.

Чтобы понять физический смысл уравнения Бернулли, нужно рассмотреть трубу переменного сечения, в которой существует точка А и Б. Первая располагается в широкой части, а вторая — в узкой. В соответствии с уравнением непрерывности скорость V1 в части трубы, имеющей большее сечение, будет меньше, чем скорость жидкости V2 в узком сечении. Если в жидкость поместить прибор для измерения давления, он покажет какое-то значение P1 в точке A и P2 в точке Б. При этом там, где скорость движения жидкости медленнее, давление будет больше.

Объясняется это следующим образом: если V1 больше V2, значит, при движении происходит изменение скорости течения. Представив, что в жидкости находится точка, можно утверждать о её движении с ускорением. Это означает, что на неё действуют силы.

Одна из них совпадает с направлением течения, тем самым ускоряя движение. Обусловлена эта сила разностью давления.

Так как движение происходит от точки А к Б, то и давление возле А будет больше, чем около Б. Эта разность давлений и приводит к ускорению.

Условия действия

Закон применим для условия, при котором соблюдается неразрывность струи воздуха или жидкости. В тех участках потока, где скорость течения больше, давление будет меньше и наоборот. Это утверждение и называется теоремой Бернулли. По сути, закон позволяет установить связь между давлением, скоростью, высотой.

Пусть имеется труба переменного сечения с изменяющейся высотой. Внизу она широкая, а затем сужается. По ней течёт жидкость. Площадь сечения можно обозначить как S1 и S2, а давление участков и скорость движения на них P1, P2, V1, V2. Высота внизу будет равняться S1, а вверху S2.

Выделив участок в трубе с жидкостью, можно сказать, что она движется слева направо и через некоторое время полностью сдвинется в область S2. Изменение положения слева будет равно расстоянию дельта L1, а справа — дельта L2.

Течение является:

ламинарным — находящаяся в трубке жидкость перемешивается слоями без хаотических изменений давления и скорости, турбулентность отсутствует;
стационарным — распределение скоростей не изменяется с течением времени;
скоростным — в движении принимает участие такой параметр, как ускорение;
идеальным с несжимаемой жидкостью.

Последнее обозначает, что нет вязкости. Поэтому на жидкость действует только сила упругости и тяжести, а силы трения нет. Система не является замкнутой, а значит закон сохранения энергии применительно к рассматриваемому участку использовать нельзя. Зато вполне можно применить теорему о кинетической энергии.

Для газов уравнение можно использовать лишь в том случае, если их плотность изменяется незначительно. Но касаемо аэродинамики учитывается и то, что изменение давления воздуха гораздо меньше атмосферного. Поэтому уравнение можно применять в аэродинамических расчётах.

Согласно ему, сумма действующих всех сил на тело (рассматриваемый кусок жидкости) равняется изменению кинетической энергии объекта: ΣAi = ΔEk. На нижний участок действует сила давления, выполняющая положительную работу, а на верхний — отрицательную. Кроме этого, действует и сила тяжести. Так как жидкость поднимается, она имеет тоже отрицательный знак. Сила бокового давления перпендикулярна любой точке в системе, поэтому никакого влияния она не оказывает.

Количественная сторона

Исходя из сил, действующих на тело, изменение кинетической энергии можно описать выражением: ΔEk = Ap1 +Ap2 +Ag. Чтобы найти работу, необходимо силу умножить на пройденное расстояние. Поэтому работа силы давления равна произведению самой силы F на модуль перемещения ΔL и косинусу угла между ними: Ap1 = F1* ΔL *1.

Чтобы найти силу, нужно давление умножить на площадь. Значит: Ap1 = p 1 * S1 * ΔL1 = p1V1. Таким же образом находится работа для второго состояния: Ap2 = F1* ΔL2 *(-1) = — p2 * S2 * ΔL2 = -p2 * V2. Жидкость несжимаемая, следовательно: V1=V2=V.

Работу силы тяжести можно вычислить исходя из того, что рассматриваемый кусок жидкости является относительным, то есть он, хотя и не статический, в любом месте будет подвергаться воздействию одинаковой силы тяжести. Верным будет выражение: Ag = — ΔEp = — (m2 * g * h2 — m1 * g * h1) = m1 * g * h1 — m2 * g * h2. Так как жидкость несжимаемая, её плотность не изменится. Отсюда можно утверждать: Ag = ρ * V * g * h1 — ρ * V * g * h2.

Зная количественные показатели всех трёх работ, можно найти изменение кинетической энергии. Из физики известно, что оно равно разнице конечной и начальной энергии. Течение стационарное, значит, скорость с течением времени не изменится. Следовательно, кинетическая энергия будет определяться разницей появившейся энергии в верхней части и ушедшей из нижней области: ΔEk = (m2 * v2 2 )/2 — (m1 * v1 2 ) / 2.

Воспользовавшись тем, что масса равняется произведению плотности на объём, формулу можно привести к виду: ΔEk = (ρ * V * v2 2 )/2 — (ρ * V * v1 2 ) / 2. Теперь найденные выражения для работ нужно подставить в теорему о кинетической энергии. Получится следующее равенство: p1V — p2V + ρ * V * g * h1 — ρ * V * g * h2 = (ρ * V * v2 2 ) / 2 — (ρ * V * v1 2 ) / 2. Разделив левую и правую часть на объём, выражение можно упростить до вида: p1 — p2 + ρ * g * h1 — ρ * g * h2 = (ρ * v2 2 )/2 — (ρ * v1 2 ) / 2 .

То место, где давление p1, некая точка внутри трубки, пусть будет обозначено цифрой один, а там, где p2, — цифрой два. Всё что относится к единице можно записать в левой части, а к двойке — в правой: ρ1 * g * h1 + (ρ * v1 2 ) / 2 = ρ * g * h2 + (ρ * v2 2 ) / 2. Полученная формула показывает, что при переходе в пределе одной линии скорость, давление и высота изменяются. Поэтому в любой точке будет справедливым выражение: ρ1+ ρ * g * h + (ρ * v1) / 2 = const. Это и есть количественное описание уравнения Бернулли для идеальной жидкости.

Применение в гидравлике

Наиболее типичным примером использования уравнения является решение заданий по нахождению скорости вытекания жидкости из отверстия в широком сосуде. Такой ёмкостью называют систему, в которой диаметр сосуда значительно больше размера отверстия. Необходимо найти скорость вытекающей жидкости U1. Известно, что высота столба жидкости, на который действует сила тяжести g, равна h.

Пусть в жидкости, находящейся сверху, имеется точка один. Через некоторое время она окажется внизу в положении два. На верх жидкости давит атмосферное давление, поэтому p1=pатм. Высота в точке один равна h. Скорость U1 считают равной нулю. Давление p2 в точке два будет также равно атмосферному. Так как жидкость опустится на дно, то высота h2 станет нулевой.

Все эти величины следует подставить в уравнение Бернулли. Получится выражение: pатм + ρ * g * h + 0 = pатм + (ρ * U 2 ) / 2 + 0. Атмосферное давление взаимно уничтожается: ρ * g * h = (ρ * U 2 ) / 2. В левой и правой части стоит плотность, на которую можно сократить. Отсюда получается, что вид жидкости значения не имеет. Это может быть: вода, ртуть, расплавленный металл. Эффект от этого не поменяется. Из формулы можно выразить искомое U2. Оно будет равно: U2 = (2 * g * h) ½ .

Интересным фактом является то, что полученный ответ при решении задачи называется формулой Торричелли. Она показывает, что скорость, с которой вытекает жидкость из широкого сосуда, равна скорости тела при свободном падении с той же высоты.

Используя уравнение, можно легко рассчитать давление жидкости на дно и стенки сосуда. В этом случае закон Бернулли является обобщением для формулы гидростатического давления. Пусть имеется сосуд с жидкостью высотой h. Точка, находящаяся наверху, характеризуется давлением p1 = pатм., высотой h1 равной h и скоростью U1. Для точки на дне параметры будут следующие: p2 = p, h2 = 0, U2 = 0. Скорости принимаются равными нулевому значению, так как рассматриваемая жидкость находится в состоянии покоя.

Данные следует подставить в уравнение. В итоге получится равенство: pатм + ρ * g * h + 0 = p + 0 + 0. Из него несложно найти неизвестное: p = pатм + ρ * g * h. Полученный ответ является формулой гидростатического давления и подтверждает закон Паскаля.

Аналогично уравнение Бернулли для потока реальной жидкости используется при расчёте расхода в карбюраторе, пульверизаторе, учёте статического и динамического давления.

Подъёмная сила

Самолёт летает благодаря тому, что набегающий на крыло напор воздуха создаёт подъёмную силу. Её можно рассчитать и оценить с помощью уравнения. Геометрически крыло можно представить в виде плоскости с углом a (угол атаки). На него действует поток воздуха со скоростью U. Частица воздуха ударяет в твёрдую поверхность и отражается от неё. Угол отражения равен углу атаки, а её скорость равняется U’. Нужно рассчитать подъёмную силу. Для этого необходимо выполнить три шага:

рассмотреть изменение скорости воздуха;
узнать импульс частиц;
используя закон Ньютона, определить силу.

В результате получится, что на крыло действует сила, состоящая из двух компонентов: подъёмной силы Fy и аэродинамического сопротивления Fx. Fy = Cy * p * U 2 * S, а Fx = Cx * p * U 2 * S. В формулах С является коэффициентом, а S — площадью крыла.

Для расчёта используется уравнение Бернулли. Выглядеть оно будет следующим образом: Pп. к + (ρ * Uп. к) * 2 / 2 + ρ * g * hп. к = Pн. к + (ρ * Uн. к) * 2 / 2 + ρ * g * hн. к, где: п. к — под крылом, а н. к — над крылом. Это уравнение можно упростить, приняв, что давления над и под крылом примерно одинаковые, поэтому плотность будет также одинаковая. Кроме того, высота крыла довольно маленькая. Исходя из этого, формулу можно упростить, и она примет вид: pп. к-pн.к = (ρ * (Uн.к + Uп. к) * (Uн.к — Uп. к)) / 2 = 2 * U1 * U2. Теперь можно найти подъёмную силу. Для этого разность давлений нужно умножить на площадь крыла: Fy = (pп.к-pн. к) * S.

Таким образом, используя метод, можно рассчитать подъёмную силу, обусловленную эффектом Бернулли. Например, пусть дано, что площадь крыла равна 50 м². Скорость потока воздуха над крылом и под ним соответственно равны: U1 = 320 м/с, U2 = 290 м/с. Найти грузоподъёмность. Для решения задания нужно знать дифференциальную плотность воздуха. Это справочная величина, равная 1,29 кг/м3.

Используя уравнение Бернулли, можно записать: pп. к-pн.к = ρ * (U2н.к — U2п. к). Подъёмная сила равна площади крыла, умноженной на разность давления. Подставив одно выражение в другое, получим рабочую формулу: Fy = ρ * (U2н.к — U2п. к) * S / 2. После выполнения расчёта получится ответ 590 кН. То есть грузоподъёмность самолёта составит порядка 59 тонн.

Реальные вычисления для таких задач довольно сложные, поэтому часто используют онлайн-калькуляторы.

Броуновское движение

Нам известно, что все вещества состоят из огромного числа очень и очень маленьких частиц, которые находятся в непрерывном и беспорядочном движении. Откуда нам это стало известно? Как учёные смогли узнать о существовании настолько маленьких частиц, которые ни в один оптический микроскоп невозможно увидеть? И уж тем более, как им удалось выяснить, что эти частицы находятся в непрерывном и беспорядочном движении? В этом учёным помогли разобраться два явления — броуновское движение и диффузия. Об этих явлениях мы и поговорим более подробно.

2. Броуновское движение

Английский учёный Роберт Броун не был физиком или химиком. Он был ботаником. И он совсем не ожидал, что откроет столь важное для физиков и химиков явление. И он не мог даже подозревать о том, что в своих довольно простых экспериментах он будет наблюдать результат хаотичного движения молекул. А это было именно так.

Что же это были за эксперименты? Они были почти такие же, что делают ученики на уроках биологии, когда с помощью микроскопа пытаются рассмотреть, например, клетки растений. Роберт Броун хотел рассмотреть в микроскоп пыльцу растений. Рассматривая зёрна пыльцы в капле воды, он заметил, что зёрна не находятся в покое, а непрерывно дёргаются, будто они живые. Наверное, сначала он так и подумал, но будучи учёным, конечно же отбросил эту мысль. Ему не удалось понять, почему эти зёрна пыльцы ведут себя таким странным образом, но он описал всё увиденное, и это описание попало в руки физиков, которые тут же поняли, что перед ними наглядное доказательство непрерывного и беспорядочного движения частиц.

Объясняется это движение, описанное Броуном, следующим образом: зёрна пыльцы достаточно велики, так что мы можем увидеть их в обычный микроскоп, а вот молекулы воды мы не видим, но, в то же время, зёрна пыльцы достаточно малы, чтобы из-за ударов по ним молекул воды, окружающих их со всех сторон, они смещались то в одну, то в другую сторону. То есть этот хаотичный «танец» зёрен пыльцы в капле воды показывал, что молекулы воды непрерывно и беспорядочно с разных сторон ударяют по зёрнам пыльцы и смещают их. С тех пор непрерывное и хаотичное движение мелких твёрдых частичек в жидкости или газе стали называть броуновским движением. Важнейшей особенностью этого движения является то, что оно непрерывное, то есть не прекращается никогда.

Диффузия — это ещё один пример наглядного доказательства непрерывного и беспорядочного движения молекул. И заключается оно в том, что газообразные вещества, жидкости и даже твёрдые вещества, хотя и намного медленнее, могут самоперемешиваться друг с другом. К примеру, запахи различных веществ распространяются в воздухе даже в отсутствие ветра именно благодаря этому самоперемешиванию. Или вот ещё пример — если в стакан с водой бросить несколько кристаллов марганцовки и, не перемешивая воду, подождать около суток, то мы увидим, что вся вода в стакане будет окрашена равномерно. Это происходит из-за непрерывного движения молекул, которые меняются местами, и вещества постепенно перемешиваются самостоятельно без внешнего воздействия.

4. Свойства броуновского движения и диффузии

Когда учёные-физики стали более подробно рассматривать явление, описанное Робертом Броуном, они заметили, что, как и диффузию, этот процесс можно ускорить, повышая температуру. То есть в горячей воде и окрашивание с помощью марганцовки будет происходить быстрее, и движение мелких твёрдых частичек, к примеру, графитовой крошки или тех же зёрен пыльцы, происходит с большей интенсивностью. Это подтверждало тот факт, что скорость хаотичного движения молекул напрямую зависит от температуры. Не вдаваясь в подробности, перечислим, от чего может зависеть и интенсивность броуновского движения, и скорость протекания диффузии:

1) от температуры;

2) от рода вещества, в котором эти процессы происходят;

3) от агрегатного состояния.

То есть при равной температуре диффузия газообразных веществ протекает значительно быстрее, чем жидкостей, не говоря уже о диффузии твёрдых тел, которая происходит настолько медленно, что её результат, и то очень незначительный, можно заметить или при очень высоких температурах, или за очень большое время — годы или даже десятилетия.

5. Практическое применение

Диффузия и без практического применения имеет огромное значение не только для человека, но и для всего живого на Земле: именно благодаря диффузии в нашу кровь через лёгкие попадает кислород, именно посредством диффузии растения добывают из почвы воду, поглощают углекислый газ из атмосферы и выделяют в ней кислород, а рыбы дышат в воде кислородом, который из атмосферы посредством диффузии попадает в воду.

Явление диффузии применяется и во многих областях техники, причём именно диффузии в твёрдых телах. К примеру, есть такой процесс — диффузионная сварка. В этом процессе детали очень сильно прижимаются друг к другу, нагреваются до 800 °C и посредством диффузии происходит их соединение друг с другом. Именно благодаря диффузии земная атмосфера, состоящая из большого количества различных газов, не разделяется на отдельные слои по составу, а везде примерно однородна — а ведь будь иначе, мы вряд ли смогли бы дышать.

Существует огромное количество примеров влияния диффузии на нашу жизнь и на всю природу, которые может найти любой из вас, если захочет. А вот о применении броуновского движения мало что можно сказать, кроме того, что сама теория, которая описывает это движение, может применяться и в других, казалось бы совершенно не связанных с физикой, явлениях. К примеру, эту теорию используют для описания случайных процессов, с применением большого количества данных и статистики — таких, как изменение цен. Теория броуновского движения используется для создания реалистичной компьютерной графики. Интересно, что человек, заблудившийся в лесу движется примерно так же, как и броуновские частички — блуждает из стороны в сторону, многократно пересекая свою траекторию.

6. Методические рекомендации учителям

1) Рассказывая классу о броуновском движении и диффузии, необходимо сделать акцент на том, что эти явления не доказывают факт существования молекул, но доказывают факт их движения и то, что оно беспорядочное — хаотичное.

2) Обязательно обратите особое внимание на то, что это непрерывное движение, зависящее от температуры, то есть тепловое движение, которое не может прекратиться никогда.

3) Продемонстрируйте диффузию с помощью воды и марганцовки, дав задание наиболее любознательным ребятам провести подобный эксперимент в домашних условиях и делая фотографии воды с марганцовкой через каждый час-два в течение дня (в выходной дети это с удовольствием сделают, а фото пришлют вам). Лучше, если в подобном эксперименте будет две ёмкости с водой — холодной и горячей, чтобы можно было продемонстрировать наглядно зависимость скорости диффузии от температуры.

4) Попробуйте измерить скорость диффузии в классе с помощью, к примеру, дезодоранта — в одном конце класса распыляем небольшое количество аэрозоля, а в 3-5 метрах от этого места ученик с секундомером фиксирует время, через которое он почувствует запах. Это и весело, и интересно, и запомнится детьми надолго!

5) Обсудите с детьми понятие хаотичности и тот факт, что даже в хаотических процессах учёные находят некие закономерности.

Броуновское движение

О чем эта статья:

7 класс, без форм заявки

Молекулярно-кинетическая теория

Мы состоим из клеток, клетки состоят из молекул, молекулы из атомов, атомы из… Ладно, пока достаточно атомов. И молекулы, и атомы подчиняются законам, которые описаны в молекулярно-кинетической теории.

В основе молекулярно-кинетической теории лежат три основных положения:

Все вещества — жидкие, твердые и газообразные — образованы из мельчайших частиц: молекул, которые сами состоят из атомов.
Молекулы химического вещества могут быть простыми и сложными, то есть состоять из одного или нескольких атомов. Молекулы и атомы представляют собой электрически нейтральные частицы. При определенных условиях молекулы и атомы могут приобретать дополнительный электрический заряд и превращаться в положительные или отрицательные ионы.
Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении.
Частицы взаимодействуют друг с другом силами, которые имеют электрическую природу. Гравитационное взаимодействие между частицами пренебрежимо мало.

Броуновское движение

Во второй половине ХIХ века в научных кругах разгорелась нешуточная дискуссия о природе атомов. На одной стороне дискуссии утверждали, что атомы — просто математические функции, удачно описывающие физические явления и не имеющие под собой реальной физической основы.С другой стороны настаивали, что атомы — это реально существующие физические объекты.

Самое смешное в этих спорах то, что за десять лет до их начала ботаник Роберт Броун уже провел эксперимент, который доказал физическое существование атомов. Вот, как это было:

Как Броун проводил эксперимент

Броун изучал поведение цветочной пыльцы под микроскопом и обнаружил, что отдельные споры совершают абсолютно хаотичные движения.

Представьте себе, что мы издалека наблюдаем, как плотная толпа людей толкает над собой большой мяч. Причём каждый толкает мяч, куда хочет. Мы не видим отдельных игроков, потому что поле далеко от нас, но мяч мы видим — и замечаем, что перемещается он очень беспорядочно.

Мяч постоянно меняет направление своего движения, и пойти в какую-нибудь определенную сторону не желает. Предсказать его местоположение через заданное время — нельзя.

Вот что-то похожее на это Броун увидел при изучении пыльцы.

В первую очередь он начал грешить на движение потоков воды или ее испарение, но проверив эту гипотезу, отмел ее. Проведя множество экспериментов, Броун установил, что такое хаотичное движение свойственно любым микроскопическим частицам — будь то пыльца растений, взвеси минералов или вообще любая измельченная субстанция. Но причины этого явления он выяснить не смог (не в обиду ботаникам, но все же, это не его специализация).

А теперь угадайте, кто смог применить этот эксперимент в доказательстве атомной теории строения вещества. Альберт Эйнштейн, кто же еще. Он объяснил его примерно так: взвешенная в воде спора подвергается постоянной «бомбардировке» со стороны хаотично движущихся молекул воды.

В среднем, молекулы воздействуют на нее со всех сторон с равной интенсивностью и через равные промежутки времени. Однако, как бы ни мала была частица, в силу чисто случайных отклонений сначала она получает импульс со стороны молекулы, ударившей ее с одной стороны, а затем — со стороны молекулы, ударившей ее с другой. И так далее.

Чуть позже, через 3 года после открытия Эйнштейна, в 1908 году французский физик Жан Батист Перрен провел серию опытов, которые подтвердили правильность эйнштейновского объяснения броуновского движения. Стало окончательно ясно, что наблюдаемое «хаотичное» движение броуновских частиц происходит вследствие межмолекулярных соударений. Поскольку вывод о том, что несуществующие в природе математические функции не могут привести к физическому взаимодействию, напрашивается сам собой, стало окончательно ясно, что спор о реальности атомов окончен: они существуют в природе.

Также, если еще раз посмотреть на второе положение молекулярно-кинетической теории, можно заметить, что броуновское движение очень хорошо его доказывает: Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении.

Диффузия

Явление, которое доказывает первое и второе положения молекулярно-кинетической теории называется диффузия.

Диффузия — это взаимное проникновение частиц одного вещества в другое, обусловленное движением молекул.

Диффузия в газах

Если в комнате открыть флакон с духами или зажечь ароматизированную свечу, то запах вскоре будет чувствоваться во всей комнате. Распространение запахов происходит из-за того, что молекулы духов проникают между молекулами воздуха. На самом деле, в этом процессе очень большую роль играет такой вид теплопередачи, как конвекция, но и без диффузии не обошлось.

На самом деле, молекулы вокруг нас движутся очень быстро — со скоростью в сотни метров в секунду — это напрямую зависит от температуры.

Давайте проверим это сами несложным экспериментом:

Замерьте температуру воздуха в помещении. Распылите освежитель воздуха в одном углу, встаньте в другой и включите секундомер. А лучше проведите эксперимент вдвоем, чтобы один человек распылял, а другой включал секундомер — так не будет погрешности, но будет веселье 😉

Как только почувствуете аромат освежителя в противоположном от места распыления, выключите секундомер. Запишите результат измерения. А потом проветрите помещение и проделайте все то же самое. Время, через которое до вас дойдет запах, будет другим. Во втором случае аромат будет распространяться медленнее.

То есть, чем выше температура, тем больше скорость диффузии.

Диффузия в жидкостях

Если диффузия в газах происходит быстро — чаще всего за считанные секунды — то диффузия в жидкостях занимает минуты или в некоторых случаях часы. Зачастую это зависит от температуры (как и в эксперименте выше) и плотности вещества.

С диффузией в жидкостях вы встречаетесь, когда, например, размешиваете краску. Или когда смешиваете любые две жидкости, например, газировку с сиропом. Также из-за диффузии происходит загрязнение рек (да и в целом окружающей среды).

Ну или вот пример диффузии в жидкостях, с которым вы точно не встречались — акулы ищут свою жертву по запаху крови, который распространяется в океане за счет диффузии.

Диффузия в твёрдых телах

Диффузия в твёрдых телах происходит очень медленно. Например, при комнатной температуре (около 20 °С) за 4-5 лет золото и свинец взаимно проникают друг в друга на расстояние около 1 мм.

Кстати, если вы проведете такой эксперимент, то увидите, что в свинец проникло малое количество золота, а свинец проник в золото на глубину не более одного миллиметра. Такое различие обусловлено тем, что плотность свинца намного выше плотности золота.

Этот процесс можно ускорить за счет нагревания, как в жидкостях и газах. Если на тонкий свинцовый цилиндр нанести очень тонкий слой золота, и поместить эту конструкцию в печь на неделю при температуре воздуха в печи 200 градусов Цельсия, то после разрезания цилиндра на тонкие диски, очень хорошо видно, что свинец проник в золото и наоборот.

Броуновское движение в физике

Содержание:

Определение

Броуновским движением называется хаотическое и беспорядочное движение маленьких частиц, как правило, молекул в разных жидкостях или газах. Причиной возникновения броуновского движения является столкновение одних (более мелких частиц) с другими частицами (уже более крупными). Какая история открытия броуновского движения, его значение в физике, и в частности в атомно-молекулярной теории? Какие примеры броуновского движения есть в реальной жизни? Обо всем этом читайте далее в нашей статье.

Открытие

Первооткрывателем броуновского движения был английский ботаник Роберт Броун (1773-1858), собственно именно в его честь оно и названо «броуновским». В 1827 году Роберт Броун занимался активными исследованиями пыльцы разных растений. Особенно сильно его интересовало, то, какое участие пыльца принимает в размножении растений. И вот как то, наблюдая в микроскоп движение пыльцы в овощном соке, ученый заметил, что мелкие частицы то и дело совершают случайные извилистые движения.

Наблюдение Броуна подтвердили и другие ученые. В частности было подмечено, что частицы имеют свойство ускоряться с увеличением температуры, а также с уменьшением размера самих частиц. А при увеличении вязкости среды, в которой они находились, их движение наоборот, замедлялось.

Роберт Броун, открыватель броуновского движения.

Сначала Роберт Броун подумал, что он наблюдает движение, даже «танец» каких-то живых микроорганизмов, ведь и сама пыльца – это, по сути, мужские половые клетки растений. Но похожее движение имели и частицы мертвых растений, и даже растений засушенных сто лет назад в гербариях. Еще больше удивился ученый, когда стал исследовать неживую материю: мелкие частицы угля, сажи, и даже частички пыли лондонского воздуха. Затем под микроскоп исследователя попало стекло, различные и разнообразные минералы. И везде были замечены эти «активные молекулы», пребывающие в постоянном и хаотичном движении.

Это интересно: вы и сами можете наблюдать броуновское движение своими глазами, для этого вам понадобится не сильный микроскоп (ведь во время жизни Роберта Броуна еще не было мощных современных микроскопов). Если рассматривать через этот микроскоп, например, дым в зачерненной коробке и освещенный боковым лучом света, то можно будет увидеть маленькие кусочки сажи и пепла, которые будут непрерывно скакать туда-сюда. Это и есть броуновское движение.

Атомно-молекулярная теория

Открытое Броуном движение вскоре стало очень известным в научных кругах. Сам первооткрыватель с удовольствием показывал его многим своим коллегам. Однако долгие годы и сам Роберт Броун, ни его коллеги не могли объяснить причины возникновения броуновского движения, то почему оно вообще происходит. Тем более что броуновское движение было совершенно беспорядочным и не поддавалось никакой логике.

Его пояснение было дано лишь в конце ХIX века и оно не сразу было принято научным сообществом. В 1863 году немецкий математик Людвиг Кристиан Винер предположил, что броуновское движение обусловлено колебательными движениями неких невидимых атомов. По сути это было первое объяснение этого странного явления, связанное со свойствами атомов и молекул, первая попытка при помощи броуновского движения проникнуть в тайну строения материи. В частности Винер попытался измерить зависимость скорости движения частиц от их размера.

Впоследствии идеи Винера были развиты другими учеными, среди них был известный шотландский физик и химик Уильям Рамзай. Именно ему удалось доказать, что причиной броуновского движения мелких частиц являются удары на них еще более мелких частиц, которые в обычный микроскоп уже не видны, подобно тому, как не видны с берега волны качающие далекую лодку, хотя движение самой лодки видно вполне ясно.

Уильям Рамзай в своей лаборатории.

Таким образом броуновское движение стало одной из составных частей атомно-молекулярной теории и одновременно важным доказательством того факта, что вся материя, состоит из мельчайших частиц: атомов и молекул. В это трудно поверить, но еще в начале ХХ века часть ученых отрицала атомно-молекулярную теорию, и не верила в существование молекул и атомов. Научные работы Рамзая связанные с броуновским движением нанесли сокрушительный удар противникам атомизма, и заставили всех ученых окончательно убедиться, что вот смотрите сами, атомы и молекулы существуют, и их действие можно видеть собственным глазами.

Теория броуновского движения

Несмотря на внешний беспорядок хаотического движения частиц, их случайные перемещения все-таки попытались описать математическими формулами. Так родилась теория броуновского движения.

К слову, одним из тех, кто разрабатывал эту теорию, был польский физик и математик Мариан Смолуховский, который как раз в то время работал во Львовском университете и жил в родном городе автора этой статьи, в прекрасном украинском городе Львове.

Львовский университет, ныне университет им. И. Франка.

Параллельно с Смолуховским теорией броуновского движения занимался один из светочей мировой науки – знаменитый Альберт Эйнштейн, который в то время еще был молодым и никому известным работником в Патентном бюро швейцарского города Берна.

Оба ученых в результате создали свою теорию, которую можно также называть теорией Смолуховского-Эйнштейна. В частности была сформирована математическая формула, согласно нее среднее значение квадрата смещения броуновской частицы (s 2 ) за время t прямо пропорционально температуре Т и обратно пропорционально вязкости жидкости n, размеру частицы r и постоянной Авогадро.

N_A: s 2 = 2RTt/6 ph rN_A – так выглядит эта формула.

R в формуле – газовая постоянная. Так, если за 1 мин частица диаметром 1 мкм сместится на 10 мкм, то за 9 мин – на 10 = 30 мкм, за 25 мин – на 10= 50 мкм и т.д. В аналогичных условиях частица диаметром 0,25 мкм за те же отрезки времени (1, 9 и 25 мин) сместится соответственно на 20, 60 и 100 мкм, так как = 2. Важно, что в приведенную формулу входит постоянная Авогадро, которую таким образом, можно определить путем количественных измерений перемещения броуновской частицы, что и сделал французский физик Жан Батист Перрен.

Для наблюдений за броуновскими частицами Перрен использовал новейший на то время ультрамикроскоп, через который уже были видны мельчайшие частицы вещества. В своих опытах ученый, вооружившись секундомером, отмечал положения тех или иных броуновских частиц через равные интервалы времени (например, через 30 секунд). Затем соединяя положения частиц прямыми линями, получались разнообразные замысловатые траектории их движения. Все это зарисовывались на специальном разграфленном листе.

Так выглядели эти рисунки.

Составляя теоретическую формулу Эйнштейна со своими наблюдениями Перрен смог получить максимально точное для того времени значение числа Авогадро: 6,8 . 10 23

Своими опытами он подтвердил теоретические выводы Эйнштейна и Смолуховского.

Диффузия

Перемещения частиц при броуновском движении, внешне очень похоже с движением частиц при диффузии – взаимному проникновению молекул разных веществ под действием температуры. Тогда в чем же различие между броуновским движением и диффузией? В действительности, и диффузия и броуновское движение происходят по причине хаотического теплового движения молекул, и как результат описываются похожими математическими правилами.

Разница между ними в том, что при диффузии молекула всегда движется по прямой линии, пока не столкнется с другой молекулой, после чего она изменит траекторию своего движения. Броуновская частица «свободного полета» не совершает, а испытывает очень мелкие и частые как бы «дрожания», вследствие которых она хаотически перемещается то туда, то сюда. Говоря образным языком, броуновская частица подобна пустой банки пива, валяющейся на площади, где собралась большая толпа народу. Люди снуют туда-сюда, задевают банку своими ногами и она летает хаотически в разные стороны подобно броуновской частице. А движение самих людей в толпе уже более характерно для движения частиц при диффузии.

Если же смотреть на микро уровне, то причиной движения броуновской частицы является ее столкновение с более мелкими частицами, в то время как при диффузии частицы сталкиваются с себе подобными другими частицами.

И диффузия и броуновское движение происходит под действием температуры. С уменьшением температуры, как скорость частиц при броуновском движении, так и скорость движения частиц при диффузии замедляются.

Примеры в реальной жизни

Теория броуновского движения, этих случайных блужданий имеет и практическое воплощение в нашей реальной жизни. Например, почему, человек, который заблудился в лесу, периодически возвращается на одно и то же место? Потому, что он ходит не кругами, а примерно так, как движется обычно броуновская частица. Поэтому свой собственный путь он пересекает сам много раз.

Поэтому, не имея четких ориентиров и направлений движения, заблудившийся человек уподобляется броуновской частице, совершающей хаотические движения. Но чтобы выйти из леса нужно иметь четкие ориентиры, разработать систему, вместо того, чтобы совершать разные бессмысленные действия. Одним словом, не стоит вести себя в жизни подобно броуновской частице, бросаясь из стороны в сторону, а знать свое направление, цель и призвание, иметь мечты, смелость и упорство их достигать. Вот так из физики мы плавно перешли к философии. На этом заканчиваем эту статью.

Видео

И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи.

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.

Эта статья доступна на английском языке – Brownian Motion.

Физика. 10 класс

Конспект урока

Физика, 10 класс

Урок 16. Основные положения МКТ. Броуновское движение

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

основные положения молекулярно-кинетической теории (МКТ), их экспериментальное подтверждение;

сравнение и объяснение понятия диффузии и броуновского движения;

оценка размеров молекул;

оценка сил взаимодействия молекул;

микроскопические параметры молекул вещества.

Глоссарий по теме

Атом – наименьшая частица химического элемента, которая является носителем его химических свойств.

Молекула – наименьшая устойчивая частица вещества, обладающая всеми химическими свойствами.

Физическое тело (или тело) – материальный объект, имеющий массу, форму, объем и отделенный от других тел внешней границей раздела.

Макроскопическое тело – это тело, состоящее из огромного числа молекул.

Микроскопические параметры–параметры, характеризующие движение отдельной молекулы (масса молекулы, её скорость, импульс, кинетическая энергия и т.д.).

Макроскопические параметры – параметры, характеризующие свойства вещества как целого (масса вещества, давление, объем, температура).

Закон Авогадро: разные газы, объемы которых равны, при одной и той же температуре и давлении содержат одно и то же число молекул.

Закон кратности отношений (закон Дальтона): при образовании из двух элементов различных веществ, массы одного из элементов в разных отношениях находятся в кратных отношениях.

Тепловые явления – это явления, связанные с изменением температуры тела.

Тепловое движение – беспорядочное (хаотичное)и непрерывное движение частиц, из которых состоит вещество.

Броуновское движение – это тепловое движение взвешенных в жидкости или газе частиц.

Диффузия – процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого вещества.

Обязательная литература:

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н.. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С.173 – 186.

Открытые электронные ресурсы

Основное содержание урока

Изменение температуры оказывает влияние на все свойства тел. Кроме механических свойств тел ( например, упругость) меняются сопротивление проводника, магнитные свойства, цвет тела и др.

Одна из основных задач молекулярной физики: найти законы, которые могли бы объяснить изменения в телах, когда с самими телами ничего не происходит с точки зрения механики.

Раздел физики, изучающий тепловые явления, называется молекулярной физикой.

Философы древности догадывались о том, что теплота – это вид внутреннего движения. Гипотеза Демокрита, что нет ничего, кроме атомов и пустого пространства, положила начало возникновению и развитию основных представлений МКТ.

Последовательная молекулярно-кинетическая теория начинает развиваться только в XVIII в. Большой вклад в развитие МКТ был сделан Михаилом Васильевичем Ломоносовым. Он рассматривал теплоту как вращательное движение частиц тела. Огромный вклад в развитие атомной теории внесли Дмитрий Менделеев, Джон Дальтон, Амедео Авогадро.

В основе МКТ строения вещества лежат следующие утверждения:

1.Все вещества состоят из частиц, между которыми есть промежутки.

2. Частицы движутся хаотично и непрерывно.

3.Частицы взаимодействуют друг с другом силами притяжения и отталкивания.

Молекулы одного и того же вещества одинаковы. Молекулы состоят из атомов. Все атомы систематизированы на основе периодического закона Менделеева.

Размеры молекул настолько малы, что увидеть их можно только с помощью электронного микроскопа, ионного проектора. Один из опытов по оценке размеров молекул провел английский учёный Джон Рэлей.

Метод Рэлея: в широкий сосуд наливают воду и на её поверхность помещают каплю оливкового масла известного объёма. Капля растекается по поверхности воды и образовывается круглая пленка. Площадь плёнки увеличивается, но затем растекание прекращается. Рэлей предположил, что толщина пленки совпадает с размером одной молекулы, и решил определить ее толщину. Таким образом, пленку можно представить в виде цилиндра, плавающего на поверхности воды. S – площадь основания цилиндра, а d – его высота, равная диаметру молекул оливкового масла. Объем V слоя масла равен произведению его площади поверхности S=πR2 (где радиус масляного пятна на поверхности воды) на толщину d слоя,

Следовательно, линейный размер молекулы оливкового масла равен отношению объема капли к площади пленки:

Размер молекулы в данном опыте получался порядка:

Опытные подтверждения I положения МКТ:

закон Дальтона, дробление вещества; испарение жидкостей; расширение тел при нагревании; диффузия; деформация.

Опытные подтверждения II положения МКТ: диффузия; броуновское движение; стремление газа занять любой объем.

Опытные подтверждения III положения МКТ: деформация, смачивание, поверхностное натяжение жидкости, сохранение формы твердого тела.

Диффузия – процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого вещества, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объему. Скорость диффузии зависит от температуры и агрегатного состояния диффундирующих веществ. В некоторых случаях имеет место осмос – односторонняя диффузия молекул жидкости или газа через полупроницаемую мембрану, разделяющую два раствора или газа разной концентрации.

Броуновское движение – это тепловое движение взвешенных в жидкости или газе частиц. Причина броуновского движения частицы заключается в том, что удары молекул жидкости или газа о частицу не компенсируют друг друга.

Молекула – сложная система, состоящая из отдельных заряженных частиц: электронов и атомных ядер. В целом молекулы электрически нейтральны, тем не менее между ними на малых расстояниях действуют значительные электрические силы: происходит взаимодействие.

Диаметр молекул зависит от температуры , но этой зависимостью пренебрегают, так как она незначительна электронов и атомных ядер соседних молекул.

Молекулы различных веществ взаимодействуют друг с другом. Силы взаимодействия зависят от типа молекул и расстояния между ними. Характер движения и расположения молекул определяет то или иное агрегатное состояние вещества.

При определённом расстоянии между молекулами сила притяжения становится равной силе отталкивания. Это расстояние считается равным диаметру молекулы и отсчитывается от их центров.

Если расстояния между молекулами превышают 2-3 диаметра молекул, то между молекулами действуют силы притяжения. По мере уменьшения расстояния между молекулами сила их взаимного притяжения сначала увеличивается, но одновременно увеличивается и сила отталкивания. Результирующая сила направлена в сторону действия силы притяжения.

Если расстояния между молекулами становятся меньше размеров самих молекул, электронные оболочки атомов начинают перекрываться и быстро увеличивается сила отталкивания. Результирующая сила направлена в сторону силы отталкивания.

Потенциальная энергия взаимодействия молекул и сила межмолекулярного взаимодействия зависят от расстояния между молекулами (рис.1).

1) При = потенциальная энергия минимальна, сила притяжения равна силе отталкивания;

2) при сила притяжения больше силы отталкивания;

3) при сила притяжения меньше силы отталкивания.

Силы взаимодействия молекул являются консервативными силами (потенциальными). Макроскопическим проявлением межмолекулярного взаимодействия является сила упругости.

Поскольку молекулы совершают перемещения или колебания, они обладают скоростью, отличной от нуля. Таким образом, отдельная молекула характеризуется массой, импульсом, скоростью и энергией движения. Перечисленные параметры называются микроскопическими параметрами.

Микросостояние – это способ реализации макросостояния системы.

Основные характеристики молекул и их систем, способы их расчёта:

а) порядок диаметра молекул:

б) скорость движения молекул: сотни метров в секунду;

в) атомная единица массы (а.е.м.) равна массы атома , то есть:

Относительная молекулярная (или атомная) масса – отношение массы m0 молекулы (или атома) данного вещества к массы атома углерода :

Молярная масса – масса одного моля вещества:

Моль – количество вещества, содержащее столько же молекул(атомов), сколько же содержится в углероде массой 0,012 кг.

Количество вещества – это отношение массы вещества к его молярной массе:

Количество вещества также равно отношению числа молекул в данном теле к постоянной Авогадро:

Число Авогадро – число молекул или атомов в 1 моле вещества:

Подсчёт броуновских частиц на разных высотах позволил французскому физику Жану Батисту Перрену определить постоянную Авогадро совершенно новым способом и выяснить, что распределение молекул по высоте определяют два фактора:

1) беспорядочное тепловое движение молекул газа;

2) действие на молекулы силы тяжести. Скорость теплового движения молекул увеличивается при повышении температуры газа и уменьшается с увеличением высоты.

Разбор тренировочных заданий

1. Что является главным доказательством молекулярно-кинетической теории? Подчеркните правильный ответ.

1) размеры молекул;

2) масса молекул;

3) броуновское движение;

4) существование субатомных частиц.

Правильный вариант: 3) броуновское движение

2. Какой объем занимает 100 моль ртути?

Плотность ртути: (из табл. плотности веществ). С помощью таблицы Менделеева находим молярную массу ртути:

Записываем формулы массы:

Получаем формулу для объёма ртути

Броуновское движение в физике

Бро́уновское движе́ние — в естествознании, беспорядочное движение микроскопических, видимых, взвешенных в жидкости (или газе) частиц (броуновские частицы) твёрдого вещества (пылинки, крупинки взвеси, частички пыльцы растения и так далее), вызываемое тепловым движением частиц жидкости (или газа). Не следует смешивать понятия «броуновское движение» и «тепловое движение»: броуновское движение является следствием и свидетельством существования теплового движения.

Сущность явления

Броуновское движение происходит из-за того, что все жидкости и газы состоят из атомов или молекул — мельчайших частиц, которые находятся в постоянном хаотическом тепловом движении, и потому непрерывно толкают броуновскую частицу с разных сторон. Было установлено, что крупные частицы с размерами более 5 мкм в броуновском движении практически не участвуют (они неподвижны или седиментируют),более мелкие частицы (менее 3мкм) двигаются поступательно по весьма сложным траекториям или вращаются. Когда в среду погружено крупное тело, то толчки, происходящие в огромном количестве, усредняются и формируют постоянное давление. Если крупное тело окружено средой со всех сторон, то давление практически уравновешивается, остаётся только подъёмная сила Архимеда — такое тело плавно всплывает или тонет. Если же тело мелкое, как броуновская частица, то становятся заметны флуктуации давления, которые создают заметную случайно изменяющуюся силу, приводящую к колебаниям частицы. Броуновские частицы обычно не тонут и не всплывают, а находятся в среде во взвешенном состоянии.

Открытие броуновского движения

Это явление открыто Р. Броуном в 1827 году, когда он проводил исследования пыльцы растений. Шотландский ботаник Роберт Броун (иногда его фамилию транскрибируют как Браун) еще при жизни как лучший знаток растений получил титул «князя ботаников». Он сделал много замечательных открытий. В 1805 после четырехлетней экспедиции в Австралию привез в Англию около 4000 видов не известных ученым австралийских растений и много лет потратил на их изучение. Описал растения, привезенные из Индонезии и Центральной Африки. Изучал физиологию растений, впервые подробно описал ядро растительной клетки. Петербургская Академия наук сделала его своим почетным членом. Но имя ученого сейчас широко известно вовсе не из-за этих работ.
В 1827 Броун проводил исследования пыльцы растений. Он, в частности, интересовался, как пыльца участвует в процессе оплодотворения. Как-то он разглядывал под микроскопом выделенные из клеток пыльцы североамериканского растения Clarkia pulchella (кларкии хорошенькой) взвешенные в воде удлиненные цитоплазматические зерна. Неожиданно Броун увидел, что мельчайшие твердые крупинки, которые едва можно было разглядеть в капле воды, непрерывно дрожат и передвигаются с места на место. Он установил, что эти движения, по его словам, «не связаны ни с потоками в жидкости, ни с ее постепенным испарением, а присущи самим частичкам».
Наблюдение Броуна подтвердили другие ученые. Мельчайшие частички вели себя, как живые, причем «танец» частиц ускорялся с повышением температуры и с уменьшением размера частиц и явно замедлялся при замене воды более вязкой средой. Это удивительное явление никогда не прекращалось: его можно было наблюдать сколь угодно долго. Поначалу Броун подумал даже, что в поле микроскопа действительно попали живые существа, тем более что пыльца – это мужские половые клетки растений, однако так же вели частички из мертвых растений, даже из засушенных за сто лет до этого в гербариях. Тогда Броун подумал, не есть ли это «элементарные молекулы живых существ», о которых говорил знаменитый французский естествоиспытатель Жорж Бюффон (1707–1788), автор 36-томной Естественной истории. Это предположение отпало, когда Броун начал исследовать явно неживые объекты; сначала это были очень мелкие частички угля, а также сажи и пыли лондонского воздуха, затем тонко растертые неорганические вещества: стекло, множество различных минералов. «Активные молекулы» оказались повсюду: «В каждом минерале, – писал Броун, – который мне удавалось измельчить в пыль до такой степени, чтобы она могла в течение какого-то времени быть взвешенной в воде, я находил, в больших или меньших количествах, эти молекулы».

Теория броуновского движения

Построение классической теории

В 1905 году Альбертом Эйнштейном была создана молекулярно-кинетическая теория для количественного описания броуновского движения. В частности, он вывел формулу для коэффициента диффузии сферических броуновских частиц:

где D — коэффициент диффузии, R — универсальная газовая постоянная, T — абсолютная температура , N_A — постоянная Авогадро, a — радиус частиц, ξ — динамическая вязкость.