Потенциальная энергия взаимодействия молекул

Молекулы, так же как и любые взаимодействующие тела, обладают потенциальной энергией. По графику зависимости силы взаимодействия между атомами от расстояния между их центрами (см. рис. 68) можно построить график зависимости потенциальной энергии Е_п взаимодействия атомов от расстояния между ними (рис. 69).

Рис. 68

При бесконечно большом расстоянии между частицами (r → ∞) потенциальная энергия их взаимодействия стремится к нулю. При уменьшении расстояния между молекулами от бесконечности до r₀ преобладает сила притяжения, которая совершает положительную работу (молекулы сближаются). Соответственно кинетическая энергия молекул увеличивается, а потенциальная уменьшается (в замкнутой системе в отсутствие трения изменение кинетической энергии равно изменению потенциальной энергии с обратным знаком).

Наименьшее значение потенциальная энергия имеет на расстоянии r₀, на котором равнодействующая сил взаимодействия между молекулами равна нулю. В этом случае взаимодействующие молекулы находятся в состоянии устойчивого равновесия, которому и соответствует минимальное значение потенциальной энергии Е_{п min}. Потенциальная энергия в состоянии равновесия характеризует прочность связи частиц. Её значение показывает, какую работу нужно совершить, чтобы «разорвать» связи между частицами.

Принцип минимума потенциальной энергии является общенаучным принципом, справедливым для всех физических явлений. Он читается так:

система стремится к состоянию с минимумом потенциальной энергии.

Примерами этого могут служить колебания маятника, движение шарика по вогнутой поверхности, свободное падение тела и др.

При дальнейшем уменьшении расстояния между молекулами (r < r₀) потенциальная энергия возрастает, поскольку равнодействующей сил взаимодействия между молекулами является сила отталкивания. Эта сила совершает отрицательную работу, что ведёт к уменьшению кинетической энергии и увеличению потенциальной.

От соотношения между средней кинетической энергией движения молекул вещества и потенциальной энергией их взаимодействия зависит агрегатное состояние вещества. Так, если потенциальная энергия взаимодействия молекул много больше их средней кинетической энергии, вещество находится в твёрдом состоянии. Если средняя кинетическая энергия движения частиц и потенциальная энергия их взаимодействия сравнимы, то вещество существует в жидком состоянии. Если потенциальная энергия взаимодействия молекул много меньше средней кинетической энергии их движения, то вещество находится в газообразном состоянии.

Вопросы для самопроверки

1. Как связано агрегатное состояние вещества с соотношением между кинетической энергией движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия?

2. Покажите на примерах, что принцип минимума потенциальной энергии является общенаучным принципом.