Примечание 2
В конденсированных (сгущённых) состояниях молекулы колеблются около положения равновесия, когда х = х0. Когда молекула отклоняется в сторону х > х0 , на неё действует сила притяжения, а когда в сторону х < х0 – сила отталкивания. Эти силы возвращают молекулу в положение равновесия, которое молекула «проскакивает» по инерции. Но иногда, случайным образом, молекула, получив дополнительную энергию от соседних молекул, разрывает связи с соседними молекулами и «перескакивает» в другое положение равновесия.
Согласно теории советского учёного Я.И.Френкеля отличие твёрдого состояния от жидкого объясняется разными значениями времени осёдлой жизни τ в этих состояниях. – время, в течении которого молекула колеблется около одного положения равновесия х01 до перескока в другое – х02.
Согласно Я.И.Френкелю:
= 0еЕ/кТ (2.1)
0 - период колебания молекулы около положения равновесия,
0 10 –13 с,
Е – энергия, которую должна затратить молекула, чтобы разорвать связи с соседними молекулами для перескока в новое положение равновесия,
Т – абсолютная температура,
k – постоянная Больцмана, k 1,38 10-23 Дж/К,
kТ – средняя энергия колебательного движения молекулы вдоль одной оси координат.
Чем выше температура Т, тем меньше время оседлой жизни, тем больше число перескоков молекул из одного положения равновесия в другое за единицу времени:
В жидком состоянии время оседлой жизни ж значительно меньше времени оседлой жизни в твердом состоянии тв.
ж
тв
ж 10-10 – 10-8 с, а тв может достигать нескольких часов.
Текучесть жидкости объясняется направленными перескоками молекул под действием внешних сдвиговых сил. При отсутствии сил сдвига числа перескоков молекул в одну и в другую сторону одинаковы (рис. 2.2 а).
Рис 2.2. Потенциальная энергия взаимодействия молекул
а) в отсутствии сдвиговых сил;
б) когда действуют сдвиговые силы (объяснение в тексте).
На рисунке 2.2 а представлена зависимость потенциальной энергии межмолекулярных взаимодействий Епот. от координаты молекул х. Положением равновесия х01 и х02 соответствуют минимумы Епот. Для перескоков от х01 к х02 и обратно требуется преодолеть один и тот же потенциальный барьер Еакт и поэтому время оседлой жизни в положении х01- 1 и в положении х02 - 2 одинаковы: 1=2.
Частота перескоков молекул налево и направо вдоль оси Х одинакова так же, как и в других направлениях, течение жидкости не происходит. Другая ситуация складывается, если действует сдвиговая сила Fсдв ( рис.2.2 б ).
В этом случае Еакт2 Е акт1 и 1 2., частота перескоков молекул направо будет больше, чем налево и жидкость будет течь направо в направлении действия сдвиговой силы.
Твердые тела тоже способны течь, но под действием больших сил и за значительно большие промежутки времени.
Способность твердых тел течь под действием больших продолжительных нагрузок используется при холодной штамповке и прессовании.
С другой стороны, жидкости тоже могут проявлять свойства упругости по отношению к изменению формы при быстро нарастающих нагрузках.
Например, если ладонь медленно погрузить в воду – молекулы под действием сдвиговых сил успевают перескочить в новое положение равновесия. Но если сильно ударить ладонью по поверхности воды, то можно убедиться в том, что в этом случае жидкость ведёт себя подобно твердому телу. Поэтому налетающие на берег во время шторма морские волны обладают такой огромной разрушительной способностью.