Свойства газов, жидкостей, твердых тел

 Введение

Все тела со­сто­ят из ато­мов или мо­ле­кул (ча­сти­цы ве­ще­ства), ко­то­рые бес­по­ря­доч­но дви­га­ют­ся, а также вза­и­мо­дей­ству­ют с си­ла­ми при­тя­же­ния и от­тал­ки­ва­ния. Имен­но раз­ли­чи­я­ми в теп­ло­вом дви­же­нии этих ча­стиц, а также их вза­и­мо­дей­стви­ем при раз­ных усло­ви­ях обу­слав­ли­ва­ет­ся факт су­ще­ство­ва­ния у ве­ще­ства несколь­ких аг­ре­гат­ных со­сто­я­ний: га­зо­об­раз­ное, жид­кое, твёр­дое. Осо­бен­но­стям этих со­сто­я­ний по­свя­щён этот урок.

 Взаимодействие частиц вещества

Атом со­сто­ит из по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­но­го ядра и от­ри­ца­тель­но за­ря­жен­ных элек­тро­нов, ко­то­рые вра­ща­ют­ся во­круг ядра. Атом, как и мо­ле­ку­ла, элек­три­че­ски ней­тра­лен.

Рас­смот­рим силу вза­и­мо­дей­ствия между ча­сти­ца­ми на при­ме­ре двух непо­движ­ных мо­ле­кул.

Между те­ла­ми в при­ро­де су­ще­ству­ют гра­ви­та­ци­он­ные и элек­тро­маг­нит­ные силы. Так как массы мо­ле­кул крайне малы, то силы гра­ви­та­ци­он­но­го вза­и­мо­дей­ствия между ними можно не рас­смат­ри­вать. На боль­ших рас­сто­я­ни­ях элек­тро­маг­нит­но­го вза­и­мо­дей­ствия между мо­ле­ку­ла­ми тоже нет.

При умень­ше­нии рас­сто­я­ния между ча­сти­ца­ми (см. Рис. 1) они на­чи­на­ют ори­ен­ти­ро­вать­ся так, что их об­ра­щён­ные друг к другу сто­ро­ны будут иметь раз­ные по знаку за­ря­ды (в целом мо­ле­ку­лы оста­ют­ся при этом ней­траль­ны­ми), и, в итоге, между мо­ле­ку­ла­ми воз­ни­ка­ют силы при­тя­же­ния (мак­си­маль­ная сила при­тя­же­ния на рас­сто­я­нии 2–3 диа­мет­ров мо­ле­ку­лы). При умень­ше­нии рас­сто­я­ния между мо­ле­ку­ла­ми воз­ни­ка­ют силы от­тал­ки­ва­ния как ре­зуль­тат вза­и­мо­дей­ствия от­ри­ца­тель­но за­ря­жен­ных элек­трон­ных обо­ло­чек ато­мов мо­ле­кул. Сле­до­ва­тель­но, на мо­ле­ку­лу дей­ству­ет сумма сил: при­тя­же­ния и от­тал­ки­ва­ния (на боль­ших рас­сто­я­ни­ях пре­об­ла­да­ет сила при­тя­же­ния, на малых – сила от­тал­ки­ва­ния).

Рис. 1. Вза­и­мо­дей­ствие между мо­ле­ку­ла­ми

На ри­сун­ке 2 изоб­ра­жён гра­фик за­ви­си­мо­сти силы вза­и­мо­дей­ствия между мо­ле­ку­ла­ми от рас­сто­я­ния между ними. Крас­ной ли­ни­ей по­ка­за­на сила при­тя­же­ния, синей ли­ни­ей – сила от­тал­ки­ва­ния, зе­лё­ной ли­ни­ей – ито­го­вый гра­фик сил. Ве­ли­чи­на  – это такое рас­сто­я­ние между мо­ле­ку­ла­ми, на ко­то­ром силы при­тя­же­ния ста­но­вят­ся рав­ны­ми силам от­тал­ки­ва­ния (по­ло­же­ние устой­чи­во­го рав­но­ве­сия).

Рис. 2. Гра­фик за­ви­си­мо­сти силы вза­и­мо­дей­ствия между мо­ле­ку­ла­ми в за­ви­си­мо­сти от рас­сто­я­ния между ними

На­хо­дя­щи­е­ся на рас­сто­я­нии друг от друга и свя­зан­ные элек­тро­маг­нит­ны­ми си­ла­ми мо­ле­ку­лы об­ла­да­ют по­тен­ци­аль­ной энер­ги­ей. В по­ло­же­нии устой­чи­во­го рав­но­ве­сия по­тен­ци­аль­ная энер­гия мо­ле­кул ми­ни­маль­на. В ве­ще­стве каж­дая мо­ле­ку­ла вза­и­мо­дей­ству­ет од­но­вре­мен­но со мно­ги­ми со­сед­ни­ми мо­ле­ку­ла­ми, что также вли­я­ет на ве­ли­чи­ну их ми­ни­маль­ной по­тен­ци­аль­ной энер­гии. Кроме того, все мо­ле­ку­лы ве­ще­ства на­хо­дят­ся в непре­рыв­ном дви­же­нии, то есть об­ла­да­ют ки­не­ти­че­ской энер­ги­ей. Таким об­ра­зом, струк­ту­ра ве­ще­ства и его свой­ства (твёр­дых, жид­ких, га­зо­об­раз­ных тел) опре­де­ля­ет­ся со­от­но­ше­ни­ем между ми­ни­маль­ной по­тен­ци­аль­ной энер­ги­ей вза­и­мо­дей­ствия мо­ле­кул и их за­па­сом ки­не­ти­че­ской энер­гии теп­ло­во­го дви­же­ния.

 Газы

Сред­нее рас­сто­я­ние между ча­сти­ца­ми газа на­мно­го пре­вы­ша­ет раз­ме­ры самих ча­стиц, таким об­ра­зом, в про­ме­жут­ках между столк­но­ве­ни­я­ми ча­сти­цы газа про­хо­дят рас­сто­я­ния, на несколь­ко по­ряд­ков пре­вы­ша­ю­щие соб­ствен­ные раз­ме­ры. На­при­мер, в воз­ду­хе (при нор­маль­ных усло­ви­ях) длина сво­бод­но­го про­бе­га мо­ле­ку­лы со­став­ля­ет , что в ты­ся­чу раз боль­ше сред­не­го раз­ме­ра мо­ле­ку­лы.

При таких боль­ших рас­сто­я­ни­ях между мо­ле­ку­ла­ми силы меж­мо­ле­ку­ляр­но­го вза­и­мо­дей­ствия между ними очень малы. С энер­ге­ти­че­ской точки зре­ния это озна­ча­ет, что по­тен­ци­аль­ной энер­ги­ей вза­и­мо­дей­ствия мо­ле­кул (по срав­не­нию с ки­не­ти­че­ской энер­ги­ей их дви­же­ния) можно пре­не­бречь.

Если рас­смат­ри­вать ки­не­ти­че­скую энер­гию, то есть дви­же­ние мо­ле­кул газа, то стоит от­ме­тить, что каж­дая из них участ­ву­ет не толь­ко в по­сту­па­тель­ном, но и во вра­ща­тель­ном дви­же­нии (если это не од­но­атом­ный газ), а если учи­ты­вать очень малое вза­и­мо­дей­ствие мо­ле­кул газа, то эти мо­ле­ку­лы будут при­ни­мать уча­стие и в ко­ле­ба­тель­ном дви­же­нии (см. Рис. 3).

Рис. 3. Виды дви­же­ний мо­ле­кул

Таким об­ра­зом, любая мо­ле­ку­ла газа, не ис­пы­ты­вая силь­но­го вза­и­мо­дей­ствия с со­сед­ни­ми, может ока­зать­ся в про­из­воль­ном месте со­су­да в любой мо­мент вре­ме­ни, по­это­му го­во­рят, что газы не со­хра­ня­ют ни форму, ни объём. Такое свой­ство газов ши­ро­ко ис­поль­зу­ет­ся в со­вре­мен­ной тех­ни­ке (пнев­ма­ти­че­ское обо­ру­до­ва­ние, теп­ло­вые дви­га­те­ли и т. д.).

 Твёрдые тела

Твёр­дые тела яв­ля­ют­ся пол­ной про­ти­во­по­лож­но­стью газам. В них не про­ис­хо­дит сво­бод­но­го пе­ре­дви­же­ния ча­стиц. Мо­ле­ку­лы на­хо­дят­ся в узлах кри­стал­ли­че­ской ре­шёт­ки (см. Рис. 4). То есть су­ще­ству­ет стро­гий пе­ри­о­ди­че­ский по­ря­док в рас­по­ло­же­нии ча­стиц, со­став­ля­ю­щих твёр­дое тело.

Рис. 4. Кри­стал­ли­че­ская ре­шёт­ка NaCl (по­ва­рен­ная соль)

В твёр­дых телах по­тен­ци­аль­ная энер­гия вза­и­мо­дей­ствия очень су­ще­ствен­на, ки­не­ти­че­ская энер­гия, по срав­не­нию с по­тен­ци­аль­ной, не ве­ли­ка. Атомы, мо­ле­ку­лы или ионы со­вер­ша­ют лишь ко­ле­ба­тель­ные дви­же­ния возле по­ло­же­ния рав­но­ве­сия. Рас­сто­я­ния между со­сед­ни­ми ча­сти­ца­ми при­мер­но равны раз­ме­рам самих ча­стиц.

Виды кри­стал­ли­че­ских ре­шё­ток от­ли­ча­ют­ся в за­ви­си­мо­сти от ве­ще­ства (глав­ное – это пе­ри­о­дич­ность и по­ря­док). Точки про­стран­ства, в ко­то­рых на­хо­дят­ся ча­сти­цы твёр­до­го тела, на­зы­ва­ют­ся уз­ла­ми кри­стал­ли­че­ской ре­шёт­ки.

Из-за ста­биль­но­сти и по­ряд­ка в рас­по­ло­же­нии ча­стиц в узлах кри­стал­ли­че­ской ре­шёт­ки, фи­зи­ки го­во­рят, что твёр­дые тела об­ла­да­ют даль­ним и ближ­ним по­ряд­ка­ми в рас­по­ло­же­нии ча­стиц ве­ще­ства (см. далее).

Твёр­дые тела со­хра­ня­ют форму и объём (для при­ме­ра, если под­верг­нуть пру­жин­ку де­фор­ма­ции, она вер­нёт­ся к преды­ду­щей форме, не из­ме­нив при этом объём).

 Дальний и ближний порядок в расположении частиц вещества

Каж­дую мо­ле­ку­лу жид­ко­сти, хотя они не рас­по­ло­же­ны так стро­го и упо­ря­до­чен­но, как в твёр­дом теле, окру­жа­ет оди­на­ко­вое число мо­ле­кул-«со­се­док» (см. Рис. 5). Но если по­смот­реть на мо­ле­ку­лы жид­ко­сти из­да­ле­ка, то ни о каком по­ряд­ке в жид­ко­сти речь идти не может, будем на­блю­дать хаос. По­это­му го­во­рят, что в твёр­дых телах есть ближ­ний по­ря­док и даль­ний по­ря­док, а в жид­ко­сти толь­ко ближ­ний по­ря­док. В га­зо­об­раз­ных телах от­сут­ству­ют и ближ­ний, и даль­ний по­ря­док.

Рис. 5. Даль­ний и ближ­ний по­ря­док в рас­по­ло­же­нии ча­стиц ве­ще­ства

 Жидкость

Жид­ко­сти, в от­ли­чие от твёр­дых тел, об­ла­да­ют ближ­ним по­ряд­ком в рас­по­ло­же­нии ча­стиц ве­ще­ства.

Ча­сти­цы в жид­ких телах «упа­ко­ва­ны» плот­но и, как в твёр­дых телах, со­вер­ша­ют ко­ле­ба­ния около по­ло­же­ния рав­но­ве­сия. По­пыт­ка сжать жид­кость быст­ро при­во­дит к де­фор­ма­ции мо­ле­кул и встре­ча­ет мощ­ное со­про­тив­ле­ние со сто­ро­ны жид­ко­сти. То есть жид­ко­сти прак­ти­че­ски не сжи­ма­е­мы.

Хотя мо­ле­ку­лы жид­ко­сти рас­по­ло­же­ны почти так же, как в твёр­дом теле, жид­кость об­ла­да­ет те­ку­че­стью. Это объ­яс­ня­ет­ся тем, что, в от­ли­чие от твёр­до­го тела, ко­ле­ба­ния мо­ле­кул около по­ло­же­ния рав­но­ве­сия в жид­ко­сти не вечны, в ка­кой-то мо­мент вре­ме­ни мо­ле­ку­ла со­вер­ша­ет «ска­чок», пе­ре­хо­дя в дру­гое по­ло­же­ние. Сле­до­ва­тель­но, жид­кость хо­ро­шо со­хра­ня­ет объём, но не со­хра­ня­ет форму.

С энер­ге­ти­че­ской точки зре­ния жид­кость за­ни­ма­ет про­ме­жу­точ­ное по­ло­же­ние между твёр­дым телом и газом – ча­сти­цы жид­ко­сти об­ла­да­ют су­ще­ствен­ной на мик­ро­ско­пи­че­ском уровне, как ки­не­ти­че­ской энер­ги­ей дви­же­ния, так и по­тен­ци­аль­ной энер­ги­ей вза­и­мо­дей­ствия.

 Аморфные вещества

Аморф­ное со­сто­я­ние тела на­зы­ва­ют про­ме­жу­точ­ным между твёр­дым и жид­ким. При­ме­ром та­ко­го ве­ще­ства яв­ля­ет­ся пла­сти­лин, смола, стек­ло.

Мо­ле­ку­лы в аморф­ных ве­ще­ствах рас­по­ло­же­ны по­доб­но мо­ле­ку­лам в жид­ко­сти, то есть об­ла­да­ют ближ­ним по­ряд­ком, но не об­ла­да­ют даль­ним по­ряд­ком.

Можно с опре­де­лён­ной долей услов­но­сти на­звать аморф­ные тела очень вяз­ки­ми жид­ко­стя­ми. Убе­дить­ся в этом можно, если по­смот­реть на про­филь окон­ных стё­кол в ста­рин­ных зам­ках. Ввер­ху эти стёк­ла го­раз­до уже, чем внизу – стек­ло за мно­гие годы «сте­ка­ет» вниз (см. Рис. 6), при этом не из­ме­няя сво­е­го внут­рен­не­го стро­е­ния. Ведь, на­при­мер, лед­ни­ки также могут сте­кать вниз. Но это свя­за­но с та­я­ни­ем лед­ни­ка и даль­ней­шей кри­стал­ли­за­ци­ей воды.

Рис. 6. Про­филь окон­но­го стек­ла в ста­рин­ном замке

 Итоги 

В твёр­дых телах ча­сти­цы об­ла­да­ют су­ще­ствен­ной по­тен­ци­аль­ной энер­ги­ей и от­но­си­тель­но неболь­шой ки­не­ти­че­ской энер­ги­ей, так как они со­вер­ша­ют ко­ле­ба­тель­ные дви­же­ния вб­ли­зи по­ло­же­ния рав­но­ве­сия.

Про­ме­жу­точ­ное по­ло­же­ние за­ни­ма­ют жид­ко­сти, так как ча­сти­цы жид­ко­сти об­ла­да­ют су­ще­ствен­ной как ки­не­ти­че­ской энер­ги­ей дви­же­ния, так и по­тен­ци­аль­ной энер­ги­ей вза­и­мо­дей­ствия, а в газах мо­ле­ку­лы об­ла­да­ют боль­шой ки­не­ти­че­ской энер­ги­ей дви­же­ния и срав­ни­тель­но малой (пре­не­бре­жи­мо малой) по­тен­ци­аль­ной энер­ги­ей вза­и­мо­дей­ствия.