- •40. Броуновское движение. Его причины. Общенаучное значение.
- •41. Средний сдвиг частицы
- •42. Понятие диффузии. Первый и второй законы Фика. Физический смысл коэффициента диффузии.
- •43. Диффузионно-седиментационное равновесие. Вывод гипсометрического закона
- •44. Седиментация в гравитационном поле. Радиус частиц по скорости седиментации.
- •45. Седиментационное уравнение незаряженной частицы
- •46. Интегральное и дифференциальное распределение частиц полидисперсных систем по размерам
- •47. Седиментация в центробежном поле. Определение массы частиц методом скоростного ультрацентрифугирования
- •48. Определение массы частиц методом равновесного ультрацентрифугирования
- •49. Явления, наблюдаемые при взаимодействии видимого света с веществом.
- •49. Виды Рэлеевского рассеяния света и его условия. Физическая сущность рассеяния света.
- •50. Анализ уравнения Рэлея
- •51. Нефелометрия и турбидиметрия.
40. Броуновское движение. Его причины. Общенаучное значение.
Причинами самопроизвольного движения частиц являются тепловое движение молекул окружающей среды или действие сил тяжести.
Причина броуновского движения состоит в том, что молекулы среды сталкиваются с частицей дисперсной фазы, она получает громадное число ударов с разных сторон. Если частица имеет большие размеры, то число этих ударов велико, что вследствие статистического закона импульсы взаимно компенсируются, и результирующий импульс равен нулю. Такая частица будет неподвижной еще и потому, что она обладает большой инерционностью и мало чувствительна к ударам молекул с малой энергией. Если размер частиц меньше 10-6, число или интенсивность ударов молекул с одной стороны будут больше, чем с другой. Результирующая сила вызовет смещение частицы.
-
Теоретическое обоснование тепловой природы броуновского движения явилось доказательством реальности существования молекул, отрицаемых Махом и Вильгельмом Освальдом.
-
С помощью броуновского движения доказывается статистический характер второго закона термодинамики. В результате броуновского движения возникают флуктуации концентрации на молекулярном уровне или уровне малых частиц. Когда коллоидная частица самопроизвольно поднимается в броуновском движении, потенциальная энергия системы возрастает. При опускании частицы вниз за счет возросшей потенциальной энергии можно совершить работу. Следовательно, теплота окружающей среды превращается в работу в отсутствие начальной разности температур, то есть мы приходим к неверному выводу о том, что действует вечный двигатель второго рода. Ошибочность подобного заключения состоит в том, что подобная схема применима к отдельной частице, но не применима к множеству частиц. Согласно теории вероятностей, при большом числе частиц, если одна частица движется вверх, приводя к увеличению потенциальной энергии, то всегда найдется другая частица, двигающаяся вниз, и потенциальная энергия не изменится.
-
Исследование броуновского движения привело к созданию теории флуктуации и способствовало развитию статистической физики. Флуктуация представляет собой самопроизвольное отклонение какого-нибудь параметра от среднего равновесного значения в малых объемах системы. Флуктуациям подвержены различные величины: физико-химические (плотность, концентрация), биологические (рост, продолжительность жизни) и социально-экономические (плотность населения, цена товара).
41. Средний сдвиг частицы
-
Частица 1020 раз в секунду изменяет направление движения. Истинный путь движения частицы определить невозможно, но можно определить среднее расстояние, на которое она смещается.
Для количественных расчетов применяют среднеквадратичное значение проекции смещения частицы:
где n - число отдельных проекций. Среднеарифметическое значение проекции смещения равно нулю, так как все направления движения равновероятны
Вывод уравнения Эйнштейна-Смолуховского
Рассмотрим цилиндр, заполненный коллоидной системой и разделенный полупроницаемой перегородкой МN. Расстояние от стенок цилиндра слева и справа до перегородки – , ν1, ν2 – частичная концентрация справа и слева, ν1 › ν2.
Перенос коллоидных частиц в одну и другую сторону равновероятен. Количество вещества, перенесенное за время τ через перегородку МN направо:
Количество вещества, перенесенное за время τ через поперечное сечение:
Выразим градиент концентрации:
По Фику:
Приравняем:
Тогда: