Главная >> Молекулярная физика. Термодинамика. Физика 10 класс. Мякишев

Глава 2. Основы молекулярно-кинетической теории

§ 2.6. Строение газообразных, жидких и твердых тел

Молекулярно-кинетическая теория дает возможность понять, почему вещество может находиться в газообразном, жидком и твердом состояниях.

Если в самых общих чертах попробовать представить себе строение газов, жидкостей и твердых тел, то можно нарисовать следующую картину.

Газы

В газах расстояние между атомами или молекулами в среднем во много раз превышает размеры самих молекул (рис. 2.17). При атмосферном давлении объем сосуда в десятки тысяч раз превышает объем находящихся в сосуде молекул газа.

Газы легко сжимаются, так как при сжатии газа уменьшается лишь среднее расстояние между молекулами, но молекулы не «сдавливают» друг друга (рис. 2.18). Молекулы (или атомы) стремительно, как бегуны-спринтеры, но значительно быстрее проносятся в пространстве. Сталкиваясь друг с другом, они непрерывно изменяют направление своего движения и разлетаются в разные стороны.

Слабые силы притяжения молекул газа не способны удержать их около друг друга. Поэтому газы не сохраняют ни формы, ни объема. Как бы мы ни увеличивали размеры сосуда, содержащего газ, последний заполнит его целиком без каких-либо усилий с нашей стороны.

Многочисленные удары молекул о стенки сосуда создают давление газа.

Можно получить более глубокое представление о состоянии вещества, называемого реальным газом, если проследить за характером зависимости потенциальной энергии одной из молекул от расстояния до ее ближайших соседей (рис. 2.19). При перемещении молекулы ее потенциальная энергия на большей части пути почти точно равна нулю, так как расстояние между молекулами в газе в среднем гораздо больше их размеров. В точках 1 и 2 расположены ближайшие соседи рассматриваемой молекулы. Данная молекула проходит на довольно значительном расстоянии от соседа 1 и на более близком от соседа 2.

Средняя по времени потенциальная энергия молекулы отрицательна и очень мала. По модулю она численно равна площади фигуры, ограниченной потенциальной кривой между точками 1 и 2 и осью r, деленной на длину отрезка 1—2 (среднее значение потенциальной энергии на отрезке 1 —2). Полная средняя энергия обязательно больше нуля (прямая на рис. 2.19), так как при Е < 0 мы имели бы связанное состояние молекул. Неравенство Е > 0 возможно лишь при условии, что средняя кинетическая энергия молекулы газа больше среднего значения ее потенциальной энергии

так как

Жидкости

Молекулы жидкости расположены почти вплотную друг к другу (рис. 2.20), поэтому каждая молекула ведет себя иначе, чем молекула газа. Зажатая, как в клетке, другими молекулами, она совершает «бег на месте» (колеблется около положения равновесия, сталкиваясь с соседними молекулами). Лишь время от времени она совершает «прыжок», прорываясь сквозь «прутья клетки», но тут же попадает в новую «клетку», образованную новыми соседями. Время оседлой жизни молекулы воды, т. е. время колебаний около одного определенного положения равновесия, при комнатной температуре, как показывают расчеты, выполненные с применением законов статистической механики, равно в среднем 10-11 с. Время же, за которое совершается одно колебание, значительно меньше (10^-12 — 10^-13 с). С повышением температуры время оседлой жизни молекул уменьшается. Характер молекулярного движения в жидкостях, впервые установленный советским физиком Я. И. Френкелем, позволяет понять основные свойства жидкостей.

Молекулы жидкости находятся непосредственно друг возле друга. Поэтому при попытке изменить объем жидкости даже на малую величину начинается деформация самих молекул (рис. 2.21). Для этого нужны очень большие силы. Этим и объясняется малая сжимаемость жидкостей. Понять причину малой сжимаемости жидкости ничуть не сложнее, чем понять, почему так трудно втиснуться в переполненный автобус.

Жидкости, как известно, текучи, т. е. не сохраняют своей формы. Объяснить это можно так. Если жидкость неподвижна, то перескоки молекул из одного «оседлого» положения в другое происходят с одинаковой частотой по всем направлениям (см. рис. 2.20). Наличие внешней силы заметно не изменяет числа перескоков молекул в секунду, но перескоки молекул из одного «оседлого» положения в другое при этом происходят преимущественно в направлении действия внешней силы (рис. 2.22). Вот почему жидкость течет и принимает форму сосуда.

Для течения жидкости необходимо только, чтобы время действия силы было во много раз больше времени «оседлой жизни» молекулы, иначе кратковременная сила вызовет лишь упругую деформацию жидкости, и обычная капля воды поведет себя, как стальной шарик.

Окончание параграфа >>>