1 Залежність сил взаємодії між молекулами від відстані між ними.
Спостереження показують, що між молекулами одночасно діють і сили тяжіння, і сили відштовхування. Сили взаємодії молекул є короткодіючими, їх дія проявляється лише на відстанях, що не перевищують кількох власних розмірів молекули. Область простору, в якій проявляється дія молекулярних сил, називають сферою молекулярного дії. Радіус цієї сфери дорівнює приблизно 1 • 10-9 м.
Сили молекулярного взаємодії залежать від відстані між молекулами. При цьому характер залежності від відстані у сил тяжіння і сил відштовхування різний. При збільшенні відстані між молекулами сили відштовхування зменшуються швидше, ніж сили тяжіння, а при зменшенні цієї відстані зростають швидше, ніж сили тяжіння.
Встановлено, що сили взаємодії молекул обернено пропорційні n-го ступеня відстані r між центрами мас молекул, т. Е.. Для сил тяжіння п = 7, а для сил відштовхування п приймає значення від 9 до 15. (Наприклад, для молекули води, а)
Сила відштовхування вважається позитивною, а сила тяжіння негативною. Існує таке відстань між молекулами, на якому сила тяжіння дорівнює силі відштовхування, т. Е. Їх результуюча сила дорівнює нулю. Якщо відстань між молекулами г> r0, переважають сили їх взаємного тяжіння, якщо ж r Описаний характер залежності сил взаємодії молекул від їх відстані один від одного пояснює появу сили пружності при деформації тіл. Якщо під дією зовнішніх сил тіло стискається, відстань між молекулами r стає менше, ніж r0, і з'являється сила, що перешкоджає взаємному зближенню молекул. Якщо ж під дією зовнішніх сил тіло розтягується, то відстань г стає більше, ніж r0, і з'являється сила, що перешкоджає взаємному видалення молекул. Поблизу точки r0 на графіку ділянку кривої є майже прямолінійним, так як при невеликому зсуві молекул з положення рівноваги сили тяжіння або відштовхування між ними зростають лінійно зі збільшенням зміщення. Саме з цієї причини при малих деформаціях тіла (т. Е. В межах його пружності) виконується закон Гука.
2. Агрегатні стани речовини
Існують чотири агрегатних стани речовини - тверде, рідке, газоподібне і плазма.
Якщо мінімальна потенційна енергія Wp (min) молекул речовини багато менше середньої кінетичної енергії їх теплового руху, то речовина знаходиться в газоподібному стані. Якщо Wp (min) »Wk, то речовина знаходиться в рідкому стані. Якщо ж Wp (min) >> Wk, то речовина знаходиться в твердому стані.
Розглянемо, який характер має рух молекул в газах, рідинах і твердих тілах.
а) У газах прі не високому тиску і не низьких температурах молекули знаходяться один від одного на відстанях, у багато разів перевищують їх розміри. В таких умовах молекули газу не пов'язані між собою міжмолекулярними силами тяжіння. Вони хаотично поступально рухаються по всьому об'єму, що займають газом. Взаємодія молекул газу відбувається тільки при їх зіткненні між собою і зі стінками посудини, в якому газ знаходиться. Передача імпульсу при цих зіткненнях обумовлює тиск, вироблене газом.
Відстань, яку молекула проходить між двома послідовними зіткненнями, називають довжиною вільного пробігу молекул і позначають l. Довжина вільного пробігу залежить від тиску і температури. У газах при нормальних умовах (т. Е. При 0 ° С і тиску 1 атм) середня довжина вільного пробігу молекул дорівнює @ 1z 10-8 м.
Якщо молекули газу складаються з двох або декількох атомів, то при зіткненні вони набувають обертальний рух.
Таким чином, в газах молекули здійснюють переважно поступальний і обертальний рух.
б) У рідинах сили взаємодії молекул один з одним досить великі. Молекули рідини коливаються близько тимчасових положень рівноваги. Однак в рідинах Wp (min) »Wk, тому, отримавши в результаті хаотичних зіткнень надлишок кінетичної енергії, окремі молекули долають тяжіння сусідніх молекул і переходять в нові положення рівноваги, навколо яких знову здійснюють коливальний рух.
Радянський фізик Френкель створив теорію рідкого стану, згідно з якою час коливання молекул рідини біля положень рівноваги дуже мало (близько 10-10-10-12 с), після чого молекули здійснюють перехід в нові положення. Отже, молекули рідини здійснюють коливальний рух навколо тимчасових центрів рівноваги і стрибкоподібно переміщуються з одних положень рівноваги в інші (внаслідок таких переміщень рідина має плинністю і приймає форму того судини, в якому знаходиться).
Таким чином, в рідинах молекули здійснюють в основному коливальний і поступальний руху.
Отже, рідина складається з безлічі мікроскопічних областей, в яких існує певна впорядкованість в розташуванні довколишніх молекул, що не повторюється по всьому об'єму рідини і змінюється з плином часу. Такий вид упорядкованості частинок називають ближнім порядком.
в) У твердих тілах відстань між молекулами менше, ніж в рідинах. Сили взаємодії молекул твердих тіл між собою настільки великі, що молекули утримуються відносно один одного в певних положеннях і коливаються близько постійних центрів рівноваги.
Тверді тіла діляться на кристалічні і аморфні.
Для кристалічних тіл характерні так звані кристалічні решітки - впорядковане й періодично повторюється в просторі розташування молекул, атомів або іонів. Якщо через довільний вузол кристалічної решітки провести пряму в будь-якому напрямку, то вздовж цієї прямої на рівній відстані будуть зустрічатися інші вузли цієї решітки, т. Е. Дана структура повторюється по всьому об'єму кристалічного тіла. Такий вид упорядкованості частинок називають далеким порядком.
В аморфних тілах (скло, смола і ряд інших речовин) немає далекого порядку і кристалічної решітки, що зближує за властивостями аморфні тіла з рідинами. Однак в аморфних тілах молекули коливаються близько тимчасових положень рівноваги значно довше, ніж в рідинах.
Отже, в твердих тілах молекули здійснюють переважно коливальний рух (хоча є і окремі молекули, що рухаються поступально, про що свідчить явище дифузії).
