Termodynamika - wstęp

Teoria kinetyczno - cząsteczkowa
..Ruchy Browna
..Dyfuzja
Temperatura
Energia wewnętrzna
Ciepło
Praca w termodynamice
I zasada termodynamiki

Ruchy Browna

Ruchami Browna nazywamy zjawisko polegające na tym, że niewielkie cząsteczki, pyłki znajdujące się w gazie, lub w zawiesinie samorzutnie i pozornie bez powodu wykonują stałe chaotyczne ruchy w różne strony. Zachowują się przy tym jak małe żyjątka, które szukają sobie czegoś w otoczeniu. Odkrycie (zaobserwowanie) tego zjawiska zawdzięczamy biologowi – Robertowi Brownowi, który też początkowo poruszające się pyłki potraktował właśnie jako małe istoty żywe.

Dzisiaj wiemy, że natura ruchów Browna jest czysto fizyczna. Z punktu widzenia teorii kinetyczno cząsteczkowej wyjaśnienie jest proste – atomy i cząsteczki, będące w ciągłym chaotycznym ruchu otaczają jakąś większą drobinę i zderzają się z nią. To bombardowanie drobiny cząsteczkami jest średnio takie samo z każdej strony. Jednak jeśli ta drobina jest wystarczająco mała, to zdarza się, że ilość cząsteczek zderzających się z nią z jednej strony będzie w jakimś momencie inna (większa, lub mniejsza) od cząsteczek uderzających z drugiej strony. W efekcie drobina dostaje co jakiś czas silniejszy impuls w stronę wyznaczoną przez uderzenia większej (w danej chwili) grupy cząsteczek (mówimy w takiej sytuacji o tzw. fluktuacji).

Rysunek z prawej strony ilustruje przykładową sytuację związana ze zjawiskiem ruchów Browna:
- W pewnym momencie przypadek sprawia, że większa drobina materii (czerwona kulka) dostaje wyraźnie więcej zderzeń z jednej (tutaj prawej) strony. Te zderzenia przepchną naszą czerwoną kulkę nieco na prawo.

Warto tu wiedzieć, że rozmiar typowej cząsteczki jest rzędu nanometra (nm) - ok. 10^-9m (a nawet mniej niż 1 nm), podczas gdy drobiny (jeśli są obserwowane przez mikroskop optyczny) mają wielkość na poziomie mikrona - 10^-6m. Drobiny są więc 1000 razy większe od cząsteczek je bombardujących.

Brown obserwujący malutkie drobinki pod mikroskopem widział ich ruch wywołany zderzeniami z chaotycznie poruszającymi się cząsteczkami. Samych cząsteczek zobaczyć jednak nie mógł (nawet nie wiedział, że one istnieją), ponieważ największy obiekt możliwy do zobaczenia pod mikroskopem optycznym jest ok. tysiąca razy większy niż typowa molekuła. Dlatego Brown myślał, że drobinki materii poruszają się dzięki własnej „woli”.

Wyjaśnienie i opracowanie teoretyczne (matematyczne) ruchów Browna zawdzięczamy Albertowi Einsteinowi i polskiemu fizykowi Marianowi Smoluchowskiemu.