Раздел IV Реальные газы и жидкости

§17. Молекулярные силы.

Рассмотрим ряд качественных выводов о стороении молекул реальных газов, не вдаваясь в детали строения атомов.

Молекулы газа представляют собой сложные системы движущихся электрических зарядов. Основная масса и весь положительный заряд сосредоточены в ядрах, имеющих линейные размеры порядка 10^-15-10^-14 м. Вокрух ядер по определенным устойчивым орбитам движутся электроны (отриц-й заряд). Диаметры электронных орбит порядка 10^-10 м. Атомы – устойчивые и труднодеформируемые системы. Эта устойчивость обусловлена тем, что состояния атомов и молекл не могут меняться непрерывно, но способны принимать лишь дискретный ряд значений. Переход атома из одного возможного состояния в другой связан со сравнительно большим изменением его энергии. Атомы «тверже» стальных шариков: при столкновении со скоростями 500 м/с стальные шарики разбиваются, тогда как атомы, сталкиваясь с большими скоростями, не меняют структуры.

Т.к. молекула электрически нейтральна, то ЭП за ее пределами равно нулю уже на растоянии 2-3 ее диаметров (т.е. диаметров ее электронной оболочки). Поэтому на больших расстояниях молекулы не взаимодействуют. (рис.)

При сближении на расстояния порядка 2-3 диаметра начинает постепенно проявляться взаимодействие электрических зарядов ядер и электронных оболочек молекул. Благодаря притяжению разноименных и оттталкиванию одноименных зарядов произойдет небольшая деформация обеих взаимодействующих молекул, так что мгновенное распределение зарядов станет как на рис.б. в результате между молекулами возникнут силы притяжения.

По мере дальнейшего сближения деформация и сила притяжения увеличиваются пока молекулы не подойдут «вплотную» друг к другу и «соприкоснутся» электронными оболочками. Дальнейшее сближение невозможно, т.е на таких расстояниях действуют преимущественно силы отталкивания, резко возрастающие по мере перекрывания электронных оболочек.

Величина сил взаимодействия зависит не только от расстояний, но и от строения молекул, их ориентации. Но качественный характер одинаков для всех: притяжение на больших расстояниях и отталкивание на малых.

При небольшом изменении взаимного расстояния между молекулами от r до r+dr силы взаимодействия совершат работу: . Следовательно, ПЭ взаимодействия изменится на величину . (рис.) Пусть при r= U=0. По мере сближения силы притяжения (F<0) совершают положительную работы и ПЭ уменьшается.

Причем U(r₀)=U_min. При дальнейшем сближении возникнут силы отталкивания (F>0) и и ПЭ будет круто возрастать. Т.о. кривая ПЭ имеет вид “потенциальной ямы” с наибольшей глубиной в положении равновесия: r=r₀, F=0, U=U_min<0.

Вывод: устойчивое положение взаимодействующих молекул соответствует:

1. наименьшему значению ПЭ взаимодействия молекул. Это – общее положение: система устойчива, если она обладает минимальным запасом жнергии;

2. равенству нулю сил взаимодействия молекул.

Глубина ямы определяет величину работы, которую нужно совершить против сил притяжения для того, чтобы молекулы, оказавшиеся в положении равновесия, оторвать друг от друга и развести на бесконечное расстояние.

Т.к. средняя КЭ хаотического движения молекул имеет порядок kT, то структура любой совокупности молекул и агрегатное состояние вещества будут существенно зависеть от соотношения величин и kT.

1. - молекулы притянутся и расположатся в определенном порядке – твердое агрегатное состояние;

2. - интенсивное тепловое движение препятствует соединению молекул – газ;

3. - тепловое движение меняет положение молекул в пространстве, не изменяя расстояния между молекулами, - жидкость.

Температура перехода из одного состояния в другое зависит от величины . Для азота и кислорода это 3х10^-21 Дж.

При достаточно большом объеме молекулы могут значительно удаляться друг от друга поэтому над твердым телом и жидкостью всегда присутствует небольшое количество этого вещества в гаообразном состоянии.