Скорость молекул: газа, жидкости, твёрдого тела.

Скорость молекул зависит прежде всего от температуры: чем выше температура вещества, тем больше средняя кинетическая энергия частиц и тем быстрее они движутся. Но характер движения в газе, жидкости и твёрдом теле разный, поэтому простое сравнение «где быстрее» нужно понимать аккуратно.

В газе молекулы движутся наиболее свободно. Они почти не связаны друг с другом, поэтому летят в разных направлениях, сталкиваются между собой и со стенками сосуда. Их движение хаотическое, а расстояния между молекулами сравнительно большие. Например, молекулы воздуха при комнатной температуре движутся со скоростями порядка сотен метров в секунду. У азота и кислорода это примерно около 400–500 м/с. При этом каждая отдельная молекула постоянно меняет направление из-за столкновений.

В жидкости молекулы тоже находятся в постоянном тепловом движении, но они расположены гораздо ближе друг к другу, чем в газе. Из-за этого они не могут свободно лететь на большие расстояния. Они как бы «толкаются» среди соседних молекул, колеблются, поворачиваются, совершают короткие перемещения и иногда перескакивают из одного положения в другое. Поэтому движение молекул жидкости более ограничено. Если говорить о хаотическом тепловом движении, скорости отдельных молекул могут быть довольно большими, но их перемещение в пространстве происходит намного медленнее, чем у молекул газа. Именно поэтому запах в воздухе распространяется быстрее, чем растворённое вещество само по себе равномерно распределяется в спокойной воде.

В твёрдом теле частицы обычно не перемещаются свободно по всему объёму вещества. Они находятся около определённых положений — узлов кристаллической решётки или устойчивых мест в структуре вещества — и в основном колеблются около этих положений. То есть у атомов и молекул твёрдого тела тоже есть скорость, потому что они не неподвижны, но это скорость колебательного движения. Чем выше температура твёрдого тела, тем сильнее и быстрее эти колебания. При обычных условиях частицы твёрдого тела не «летают» по веществу, как в газе, и не перемещаются сравнительно свободно, как в жидкости.

Если сравнивать по школьной модели, то обычно говорят так:

в газах молекулы движутся быстрее и свободнее всего;
в жидкостях — медленнее и более ограниченно;
в твёрдых телах — в основном колеблются около своих мест.

Но важно уточнение: при одной и той же температуре средняя кинетическая энергия частиц связана с температурой. Поэтому дело не только в агрегатном состоянии, но и в массе молекул, температуре и характере движения. Лёгкие молекулы при той же температуре обычно имеют большую скорость, чем тяжёлые.

Для газа часто используют формулу средней квадратичной скорости:

где $k$ — постоянная Больцмана, $T$ — абсолютная температура в кельвинах, $m$ — масса одной молекулы.

Из этой формулы видно: при повышении температуры скорость молекул увеличивается, а при увеличении массы молекулы — уменьшается.

При температуре, близкой к абсолютному нулю, тепловое движение частиц становится минимальным. В классическом школьном представлении можно сказать, что частицы почти перестают двигаться, но в современной физике даже при абсолютном нуле полностью исчезнуть движение не может из-за квантовых эффектов.

Итак, главное различие такое: в газе молекулы имеют свободное поступательное хаотическое движение, в жидкости — хаотическое, но сильно ограниченное соседями, а в твёрдом теле — преимущественно колебательное движение около устойчивых положений.