14.Агрегатное состояние вещества – твёрдое тело

 

Основные положения атомистики были сформулированы в четвёртом веке до н.э., но за это время молекулярная физика оказалась способна вывести только приблизительные описание агрегатных состояний вещества, пользуясь которыми, в большинстве случаев определить агрегатное состояние вещества невозможно. 

Сейчас физическое определение твёрдого тела имеет приблизительный характер. В нём не раскрывается причина самоорганизации молекул вещества именно таким образом, а ведь это основная задача молекулярной физики.

«Твёрдое тело - характеризуется стабильностью формы и тем, что образующие его атомы совершают малые (тепловые) колебания вокруг фиксированных положений равновесия. Твердые тела делятся на кристаллические и аморфные. В кристаллах существует дальний порядок в расположении атомов и молекул, в аморфных же телах колебания частиц происходят вокруг хаотически расположенных точек.

Различают твердые тела с ионной, ковалентной, металлической и другими типами связей, что обусловливает разнообразие их физических свойств. Так, вещества с ионной связью хрупки, в то время как типичные металлы очень пластичны. Электрические, магнитные и некоторые тепловые свойства твердых тел в основном определяются характером движения валентных электронов его атомов, который обусловлен типом связи. По электрическим свойствам твердые тела делятся на диэлектрики, полупроводники и металлы; по магнитным - на диамагнетики, парамагнетики, и тела с упорядоченной магнитной структурой». [2]

Для физического определения используется перечисление макроскопических свойств вещества. Причина, по которой молекулы вещества принимают качества твёрдого тела, не указана. Максимум, на что оказалась способна молекулярная физика – это вывести приблизительные критерии агрегатных состояний вещества.  Настолько приблизительный, что под критерий твёрдого агрегатного состояния одновременно попадают вещества в твёрдом и жидком агрегатном состоянии.

«Если , то вещество находится в твердом состоянии, так как молекулы, притягиваясь друг к другу, не могут удалиться на значительные расстояния и колеблется около положений равновесия, определяемого расстоянием».  [1]

В этом критерии нет чёткой границы агрегатного состояния вещества - насколько  должна быть больше,  и что произойдёт, если. Это удивительно, поскольку в молекулярной физике уже давно точно определить, с чем связано  именно твёрдое состояние вещества.

Для точного определения твёрдого агрегатного состояния вещества рассмотрим график взаимодействия двух молекул вещества  (рис. 4). При этом одна молекула находится в начале координат, другая на расстоянии .

Молекулы вещества в твёрдом состоянии совершают колебания вокруг положения равновесия внутри потенциальной ямы на расстояние за счет кинетической энергии. Осцилляция молекул вокруг центра равновесияограничиваются потенциальной кривой. Нахождение молекул вещества в потенциальной яме является отличительным признаком твёрдого состояния вещества.

Рис. 4. Взаимодействие двух молекул вещества в твёрдом агрегатном состоянии.

На графике - наименьшая потенциальная энергия разрыва связи двух молекул. Величинаопределяет работу, которую нужно совершить против сил притяжения для того, чтобы разъединить молекулы, находящиеся в равновесии ().

При внешней нагрузке на твёрдое тело, может изменяться расстояние между молекулами вещества, Это может быть причиной выхода молекул за пределы потенциальной ямы. В этом случае твёрдое тело разрушается.

Вторая причина разрушения твёрдого тела температура. При увеличении температуры увеличивается кинетическая энергия молекул, увеличивается осцилляция молекул , уменьшается(расстояние до краёв потенциальной ямы). Это означает уменьшение прочности твёрдого тела. При этом надо помнить, что, в соответствии с Максвелловским распределением энергии молекул вещества, у части молекул будет энергия, соотвествующая агрегатному состоянию жидкости. С этими молекулами связаны пластичные свойства вещества. Также у части молекул будет энергия, соотвествующая агрегатному состоянию газа. С этими молекулами твёрдое тело приобретает некоторые свойства агрегатного состояния газа - например испарерие отдельных молекул с поверхности твёрдого тела.

Наличие у молекул вещества , отличного от нуля, является отличительным признаком именно твёрдого агрегатного состояния вещества. Это позволяет  вывести физически корректное определение твёрдого состояния вещества.

 «Твердое агрегатное состояние вещества - это такое состояние, при котором его атомы (молекулы, ионы) находятся в «потенциальной яме» и не могут ее покинуть».