12.7. Агрегатные состояния вещества
Электромагнитное взаимодействие не ограничивается формированием молекулярных структур. Благодаря нему возникают сложные межмолекулярные структуры. В основе их систематизации лежит понятие “агрегатное состояние” (от латинского “aggrego” – присоединяю, связываю). Все вещества могут состоять в четырех агрегатных состояниях – газообразном, твердом, жидком и плазменном. Необходимым условием возникновения последних трех состояний является наличие конденсированных сред. Главным признаком таких сред является четко обозначенная граница – замкнутая поверхность, внутри которой и заключен объем указанного вещества. Этот объем изменяется в незначительных пределах при широком изменении различных внешних факторов – давления и температуры.
Переход от газообразного состоянию к жидкому и твердому связан с увеличением порядка. При жидком состоянии этот порядок внешний и определяется только тем, что данное тело отделено от других границей. Внутри этой границы молекулы обладают достаточно большой подвижностью. Кроме того, и сама граница легко деформируется и перемещается, т.е. обладает текучестью. Расстояние между молекулами в жидком состоянии намного меньше, чем в газообразном. Так, в одном м3 воды находится 333·1026 молекул H2O, а в том же объеме пара при нормальном давлении 270·1023 этих же молекул. Именно поэтому при жидком и твердом состоянии существенным образом проявляют себя электромагнитные взаимодействия между молекулами. Переход от одного агрегатного состояния к другому связан с обменом тепловой энергии с окружающей средой. При этом температура вещества в подавляющем большинстве случаев остается постоянной. Такое изменение именуется фазовым переходом. Температура, при которой происходит фазовый переход именуется соответственно температурой кипения (конденсации) и плавления (замерзания). Изменение тепловой энергии при кипении и плавлении равно по величине, но противоположно по знаку ее изменению при обратном фазовом переходе – от газа к жидкости (конденсации) и от жидкости к твердому телу (замерзании). Теплота плавления у одного и того же вещества значительно меньше теплоты кипения (например, у воды ∆Qкип=22,6·105 Дж/кг, а ∆Qпл=33,4·104 Дж/кг). Это свидетельствует о том, что степень упорядоченности вещества при превращении из газа в жидкость возрастает больше, чем из жидкости в твердое тело. Напомним, что степень упорядоченности определяется отрицательной энтропией, равной (см. § 3.3)
(12.14)
12.8. Твердое тело
Наиболее упорядоченным агрегатным состоянием вещества является твердое. В основе формирования твердых тел лежит особая конфигурация их молекул – кристаллическая. Потенциальная энергия электрического поля взаимодействия молекул в обобщенной форме имеет вид, данный на рис. 12.6.
Наиболее устойчивое расположение молекул такое, которое соответствует минимуму потенциальной энергии. Расстояние rм, при которой эта энергия вновь становится положительной, фактически играет роль размера молекулы.
Рис. 12.6. Зависимость потенциальной энергии взаимодействия