I уровень. Познакомимся с параграфом

1. Взаимодействие молекул

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 .

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 -й степени расстояния г между центрами масс молекул. Для сил притяжения , а для сил отталкивания принимает значения от до . (Например, для молекулы воды , а .)

Сила отталкивания считается положительной, а сила притя­жения отрицательной. На рисунке изображены графики зави­симостей от расстояния между молекулами силы отталкивания, силы притяжения и результирующей этих сил.

Существует такое расстояние между моле­кулами , на котором сила притяжения равна силе отталкива­ния, т. е. их результирующая сила равна нулю. Это расстояние называется равновесным. Если расстояние между молекулами , преобладают силы их взаимного притя­жения, если же , преобладают силы отталкивания. Таким образом, результирующая сил молекулярного взаимодействия на больших расстояниях явля­ется силой притяжения, а на малых – силой отталкивания. Следовательно, – 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 становится меньше, чем , и появляется сила, препятст­вующая взаимному сближению молекул. Если же под действием внешних сил тело растягивает­ся, то расстояние становится больше, чем , и появляется сила, препятствующая взаимному удалению молекул. Вблизи точки 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. Строение газообразных, твердых и жидких тел

Характер теплового движения молекул, атомов и ионов зависит от агрегатного состояния вещества и определяется силами межмолекулярного взаимодействия.

Если минимальная потенциальная энергия молекул вещества много меньше средней кинетической энергии их теплового движения , то вещество находится в газообразном состоянии. Если , то вещество находится в жидком состоянии. Если же , то вещество находится в твердом состоянии.

Рассмотрим, какой характер имеет движение молекул в газах, жидкостях и твердых телах.

a) 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 обуславливает давление, производимое газом.

§ Расстояние, которое молекула проходит между двумя последовательными столкновениями, называют длиной свободного пробега молекул.

Длина свободного пробега зависит от давления и температуры. В газах при нормальных условиях средняя длина свободного пробега молекул составляет приближенно .

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 расстояние между молекулами сравнимо с их эффективным диаметром. Силы взаимодействия молекул друг с другом достаточно велики. Молекулы жидкости колеблются около временных положений равновесия. Однако в жидкостях , поэтому, получив в результате хаотических столкновений избыток кинетической энергии, отдельные молекулы преодолевают притяжение соседних молекул и переходят в новые положение равновесия, вокруг которых вновь совершают колебательное движение.

Я. Френкель создал теорию жидкого состояния, согласно которой время колебаний молекул жидкости возле положения равновесия очень мало (порядка ), 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.

Таким образом, в жидкостях молекулы совершают в основном колебательное и поступательное движения.

Возможность свободного перемещения молекул относительно друг друга обуславливает свойство текучести жидкости. Тело в жидком состоянии как и газообразном, не имеет постоянной формы. Форма жидкого тела определяется формой сосуда, в котором находится жидкость, действием внешних сил и сил поверхностного натяжения.

в. В твердых телах расстояние между молекулами еще 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.

Для кристаллических тел характерны так называемые кристаллические решетки – упорядоченное и периодически повторяющееся в пространстве расположение молекул, атомов или ионов. В твердых телах молекулы совершают преимущественно колебательное движение (хотя имеются отдельные молекулы, движущиеся поступательно, о чем свидетельствует явление диффузии).