|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Броуновское движение |
 | |
Анимация
0
Описание
Броуновское движение - беспорядочное движение дисперсных частиц, взвешенных в жидкости, под влиянием ударов молекул окружающей среды. Достаточно мелкие частицы, взвешенные в жидкости, при наблюдении под микроскопом представляются находящимися в непрерывном движении. Это движение с течением времени не изменяется и продолжается сколь угодно долго. Частицы подвергаются ударам молекул окружающей их среды. Эти удары молекул носят случайный характер и в каждый момент времени оказываются нескомпенсированными. В результате давление с какой-либо стороны оказывается больше или меньше среднего. Поэтому частица приходит в движение.
Частица вместе с молекулами жидкости образуют единую систему, обладающую статистическими свойствами. В соответствии с теоремой о распределении энергии по степеням свободы на каждую степень свободы броуновской частицы должна приходиться энергия (1/2)·КТ (где К - постоянная Больцмана, Т -абсолютная температура). Энергия (3/2)·КТ, приходящаяся на три поступательные степени свободы частицы, приводит к движению ее центра масс, которое и наблюдается под микроскопом в виде дрожания. Если броуновская частица достаточно жестка и ведет себя как твердое тело, то еще (3/2)·КТ энергии приходится на ее вращательные степени свободы. Поэтому она испытывает также постоянные изменения ориентации в пространстве. Броуновское движение - наиболее наглядное экспериментальное подтверждение представлений молекулярно-кинетической теории о хаотическом тепловом движении атомов и молекул.
Если промежуток наблюдения t достаточно велик для того, чтобы силы, действующие на частицу со стороны молекул среды, много раз изменили свое направление, то средний квадрат проекции ее смещения из первоначального положения 
на какую-либо ось пропорционален времени t (закон Эйнштейна):
,
где D - коэффициент диффузии; для сферических частиц радиусом а.
D = КТ/(6phа),
где h - динамическая вязкость среды.
Значения коэффициентов диффузии и вязкости для некоторых сред представлены в табл.1 и 2.
|
Таблица 1 |
|||
|
Значения коэффициента диффузии |
|||
|
Диффундирующее вещество |
Основной компонент |
Температура, К |
Коэффициент диффузии, м3/с |
|
Поваренная соль |
вода |
293 |
1,1·10 -9 |
|
Сахар |
вода |
293 |
0,3·10 -9 |
|
Таблица 2 |
|
|
Вязкость некоторых жидкостей |
|
|
Жидкости |
h, мПа·с, при 293 К |
|
Вода |
1,002 |
|
Этиловый спирт |
1,200 |
|
Ртуть |
1,554 |
|
Глицерин |
1450 |
С повышением температуры интенсивность теплового движения молекул среды возрастает, а, следовательно, растет и интенсивность броуновского движения, обусловленного толчками молекул. С увеличением вязкости среды повышается сопротивление, оказываемое средой движению броуновской частицы. Интенсивность броуновского движения падает. От материала самих частиц броуновское движение не зависит.
Ключевые слова
Разделы наук
Применение эффекта
Теория броуновского движения находит приложение в физико-химии дисперсных систем; на ней основана кинетическая теория коагуляции растворов. Броуновское движение определяет седиментационное равновесие, которое устанавливается в дисперсной системе, находящейся в поле тяжести или в силовом поле ультрацентрифуги.
Одно из наиболее важных практических применений броуновского движения связано с оценкой точности обработки внешних воздействий в системах управления, а также для описания шумовых воздействий в измерительных системах, например, в резонаторе Фабри-Перо, используемом для реализации гравитационных волн.
Реализации эффекта
Для наблюдения броуновского движения можно воспроизвести опыт Перрена по определению числа Авогадро. Так как совокупность броуновских частиц в точности воспроизводит модель молекулярно-кинетической структуры газа, она подчиняется всем газовым законам, в том числе барометрической формуле Больцмана. Наблюдая распределение по высоте броуновских частиц в жидкости с помощью микроскопа (рис. 1), можно по формуле Больцмана и, зная универсальную газовую постоянную, найти число Авогадро.
Метод наблюдения броуновских частиц в микроскоп
Рис. 1
Литература
1. Морозов А.Н. Необратимые процессы и броуновское движение. - М.: МГТУ, 1997. - С. 332.
2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. - М.: Наука, 1980. - Т.2. Термодинамика и молекулярная физика. - С. 554.
3. Броуновское движение. Физическая энциклопендия. - М.: Советская энциклопедия, 1988. - Т. 1. - С. 229-230.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |
