- Зависимость
сил взаимодействия между молекулами
от расстояния между ними.
Наблюдения показывают, что между молекулами
одновременно действуют и силы притяжения,
и силы отталкивания. Силы взаимодействия
молекул являются короткодействующими,
их действие проявляется лишь на расстояниях,
не превышающих нескольких собственных
размеров молекулы. Область пространства,
в которой проявляется действие молекулярных
сил, называют сферой молекулярного действия.
Радиус этой сферы равен примерно 1•10-9
м.
Силы молекулярного взаимодействия зависят
от расстояния между молекулами. При этом
характер зависимости от расстояния у сил
притяжения и сил отталкивания различен.
При увеличении расстояния между молекулами
силы отталкивания убывают быстрее, чем
силы притяжения, а при уменьшении этого
расстояния возрастают быстрее, чем силы
притяжения.
Установлено, что силы взаимодействия
молекул обратно пропорциональны n-й степени
расстояния r между центрами масс молекул,
т. е. . Для сил притяжения п = 7, а для
сил отталкивания п принимает значения
от 9 до 15. (Например, для молекулы воды
, а )
Сила отталкивания считается положительной,
а сила притяжения отрицательной. Существует
такое расстояние между молекулами, на
котором сила притяжения равна силе отталкивания,
т. е. их результирующая сила равна нулю.
Если расстояние между молекулами г>r0,
преобладают силы их взаимного притяжения,
если же r<r0, преобладают силы отталкивания.
Таким образом, результирующая сил молекулярного
взаимодействия на больших расстояниях
является силой притяжения, а на малых
— силой отталкивания. Следовательно, r0—
это такое равновесное расстояние между
молекулами, на котором они находились
бы, если бы тепловое движение молекул
не нарушало этого равновесия.
Описанный характер зависимости сил взаимодействия
молекул от их расстояния друг от друга
объясняет появление силы упругости при
деформации тел. Если под действием внешних
сил тело сжимается, расстояние между молекулами
r становится меньше, чем r0, и появляется
сила, препятствующая взаимному сближению
молекул. Если же под действием внешних
сил тело растягивается, то расстояние
г становится больше, чем r0, и появляется
сила, препятствующая взаимному удалению
молекул. Вблизи точки r0 на графике участок
кривой является почти прямолинейным, так
как при небольшом смещении молекул из
положения равновесия силы притяжения или
отталкивания между ними возрастают линейно
с увеличением смещения. Именно по этой
причине при малых деформациях тела (т.
е. в пределах его упругости) выполняется
закон Гука.
2.
Агрегатные состояния вещества
Существуют четыре агрегатных состояния
вещества — твердое, жидкое, газообразное
и плазма.
Если минимальная потенциальная энергия
Wp(min) молекул вещества много меньше
средней кинетической энергии их теплового
движения, то вещество находится в газообразном
состоянии. Если Wp(min) » Wk, то вещество
находится в жидком состоянии. Если же
Wp(min) >> Wk, то вещество находится
в твердом состоянии.
Рассмотрим, какой характер имеет движение
молекул в газах, жидкостях и твердых телах.
а) В газах при не высоких давлениях и
не низких температурах молекулы находятся
друг от друга на расстояниях, во много
раз превышающих их размеры. В таких условиях
молекулы газа не связаны между собой межмолекулярными
силами притяжения. Они хаотически поступательно
движутся по всему объему, занимаемому
газом. Взаимодействие молекул газа происходит
только при их столкновении между собой
и со стенками сосуда, в котором газ находится.
Передача импульса при этих столкновениях
обусловливает давление, производимое газом.
Расстояние, которое молекула проходит
между двумя последовательными столкновениями,
называют длиной свободного пробега молекул
и обозначают l . Длина свободного пробега
зависит от давления и температуры. В газах
при нормальных условиях (т. е. при 0 °С
и давлении 1 атм) средняя длина свободного
пробега молекул равна <l > @ 1z
10-8 м.
Если молекулы газа состоят из двух или
нескольких атомов, то при столкновении
они приобретают вращательное движение.
Таким образом, в газах молекулы совершают
преимущественно поступательное и вращательное
движение.
б) В жидкостях силы взаимодействия молекул
друг с другом достаточно велики. Молекулы
жидкости колеблются около временных положений
равновесия. Однако в жидкостях Wp(min)
» Wk, поэтому, получив в результате хаотических
столкновений избыток кинетической энергии,
отдельные молекулы преодолевают притяжение
соседних молекул и переходят в новые положения
равновесия, вокруг которых вновь совершают
колебательное движение.
Советский физик Френкель создал теорию
жидкого состояния, согласно которой время
колебания молекул жидкости возле положений
равновесия очень мало (порядка 10-10—10-12
с), после чего молекулы совершают переход
в новые положения. Следовательно, молекулы
жидкости совершают колебательное движение
вокруг временных центров равновесия и
скачкообразно перемещаются из одних положений
равновесия в другие (вследствие таких
перемещений жидкость обладает текучестью
и принимает форму того сосуда, в котором
находится).
Таким образом, в жидкостях молекулы совершают
в основном колебательное и поступательное
движения.
Итак, жидкость состоит из множества микроскопических
областей, в которых существует определенная
упорядоченность в расположении близлежащих
молекул, не повторяющаяся по всему объему
жидкости и изменяющаяся с течением времени.
Такой вид упорядоченности частиц называют
ближним порядком.
в) В твердых телах расстояние между молекулами
меньше, чем в жидкостях. Силы взаимодействия
молекул твердых тел между собой настолько
велики, что молекулы удерживаются относительно
друг друга в определенных положениях и
колеблются около постоянных центров равновесия.
Твердые тела делятся на кристаллические
и аморфные.
Для кристаллических тел характерны так
называемые кристаллические решетки — упорядоченное
и периодически повторяющееся в пространстве
расположение молекул, атомов или ионов.
Если через произвольный узел кристаллической
решетки провести прямую в любом направлении,
то вдоль этой прямой на равном расстоянии
будут встречаться другие узлы этой решетки,
т. е. данная структура повторяется по
всему объему кристаллического тела. Такой
вид упорядоченности частиц называют дальним
порядком.
В аморфных телах (стекло, смола и ряд
других веществ) нет дальнего порядка и
кристаллической решетки, что сближает
по свойствам аморфные тела с жидкостями.
Однако в аморфных телах молекулы колеблются
около временных положений равновесия значительно
дольше, чем в жидкостях
Итак, в твердых телах молекулы совершают
преимущественно колебательное движение
(хотя имеются и отдельные молекулы, движущиеся
поступательно, о чем свидетельствует явление
диффузии).
|
