Пояснення будови твердих тіл, рідин і газів на основі атомно-молекулярного вчення про будову речовини

· Гази

· Рідини

· Тверді тіла

· Агрегатні стани речовини

· Поняття фази речовини

Гази. Гази леткі, не зберігають об’єму і форми, займають весь об’єм посудини, у якій перебувають, легко стискаються і розширюються, не видимі (деякі мають специфічні запахи).

У газоподібному стані відстань між молекулами в десятки разів перевищує розміри самих молекул. Вільний об’єм становить майже 99,9% усього об’єму газу.

Слабкі сили притягання молекул газу не можуть утримати їх одну біля одної. Тому гази здатні необмежено розширюватись. Вони не зберігають ні форми, ні об’єму.

Кінетична енергія руху молекул газу значно більша від потенціальної енергії їх взаємодії. Сили міжмолекулярних взаємодій суттєво не впливають на рух молекул, молекули рухаються незалежно одна від одної. Напрям свого руху вони змінюють лише під час зіткнень між собою або із стінками посудини. Траєкторія руху кожної молекули матиме вигляд ламаної лінії, що складається з прямолінійних хаотично розміщених відрізків різної довжини (мал. 10,а). Між зіткненнями молекули рухається рівномірно. Відстань, яку пролітає молекула між двома послідовними зіткненнями, називають довжиною вільного пробігу і позначають .

Таким чином, рух молекул газу водночас поступальний і прямолінійний з різними швидкостями. Молекула, що складається з декількох атомів, під час свого поступального руху буде ще й обертатися.

Рідини. Рідини текучі, зберігають свій об’єм, займають форму посудини в якій перебувають, мають вільну поверхню, практично не стисливі.

Густина речовини у рідкому стані приблизно в тисячу разів більша за густину в газоподібному стані, тому відстань між молекулами в рідини набагато менша, ніж у газів. У рідинах відстані між молекулами сумірні з їх ефективним діаметром, тому сили міжмолекулярної взаємодії є значними. Якщо навколо якоїсь молекули рідини описати сферу радіусом молекулярної дії, то всередині цієї сфери міститимуться центри багатьох інших молекул, які будуть взаємодіяти з вибраною молекулою. Сили міжмолекулярної взаємодії утримують молекулу рідини біля її тимчасового положення рівноваги приблизно протягом 10^-12-10^-10 с при цьому молекула здійснює коливальний рух, після чого вона перескакує в нове тимчасове положення рівноваги приблизно на відстань свого діаметра і здійснює коливання відносно нового центра рівноваги (мал. 10,б). Час між двома перескоками молекули з одного положення в інше називають часом осілого життя. Цей час залежить від виду рідини і температури. При нагріванні рідини середній час осілого життя молекул зменшується.

Рідини, як відомо, текучі, тобто не зберігають своєї форми. Пояснити це можна так. Якщо рідина не тече, то перескоки молекул з одного положення рівноваги в інше відбувається з однаковою частотою в усіх напрямках. Якщо діє зовнішня сила, то вона помітно не змінює частоти перескоків, проте упорядковує їх: перескоки відбуваються переважно в напрямі дії зовнішньої сили.

Оскільки молекули рідини розміщені впритул одна до одної, тобто перебувають постійно у сфері дії інших молекул, то вилітати за межі рідини можуть лише молекули, розміщенні на вільній поверхні рідини. Щільним розташуванням молекул пояснюється і їх мала стисливість. При сильному стисканні рідини відбувається деформація самих молекул.

У невеликому об’ємі рідини спостерігається упорядковане розміщення її молекул, а у великому об’ємі воно хаотичне. У цьому розумінні кажуть, що в рідині існує ближній порядок у розміщенні молекул.

Таким чином молекули рідини можуть здійснювати коливальний, поступальний і обертальний рухи. Кінетична енергія молекул рідин приблизно дорівнює їх потенціальній енергії.

Тверді тіла. Тверді тіла зберігають свій об’єм, мають власну форму, здатні зазнавати деформацій,

Молекули (атоми) твердих тіл розташовані так щільно, що їх електронні оболонки доторкуються, а іноді й перекривають одна одну. Сили взаємодії кожної молекули із сусідніми настільки великі, що молекули здійснюють малі коливання навколо деяких сталих положень рівноваги (мал. 10,в). Ці центри можуть бути розташовані у просторі невпорядковано (аморфні тіла), або утворювати упорядковану просторову решітку (кристалічні тіла). Упорядковане розташування молекул у вузлах кристалічних решіток називають дальнім порядком.

Мал.10. Схематичне зображення молекулярного руху: а – в газах, б – в рідинах, в – у твердих тілах

Агрегатні стани речовини. Одна і та сама речовина може перебувати в твердому, рідкому, газоподібному станах, які називають агрегатними станами речовини. Наприклад, лід, вода та водяна пара.

Властивості речовини залежать від руху її молекул і від сили взаємодії між ними. Сили міжмолекулярної взаємодії намагаються утримати молекули на певних відстанях одну від одної, а хаотичний рух молекул намагається розкидати їх по всьому простору. Спільна дія обох цих факторів і визначає агрегатний стан кожної речовини.

Звернімося знову до графіка залежності потенціальної енергії взаємодії молекул від відстані між ними (мал.9). Доки кінетична енергія поступального руху молекул мала, молекула здійснює коливальний рух у межах потенціальної ями. Її кінетична енергія при цьому переходить у потенціальну енергію взаємодії, і навпаки. Швидкості окремих молекул можуть мати різні значення, відповідно різними будуть і значення кінетичної енергії, але поки середнє значення кінетичної енергії набагато менше за , молекули тільки коливаються навколо своїх середніх положень і речовина залишається у твердому стані.

Повна (внутрішня) енергія речовини у твердому стані визначається потенціальною енергією і має найменше значення порівняно з іншими агрегатними станами (при однакових значеннях температури) (мал. 11, а).

Коли тіло нагрівати, кінетична енергія руху молекул збільшується її значення наближається до , речовина переходить у рідкий стан. Абсолютне значення внутрішньої енергії речовини у рідкому стані близьке до нуля (мал. 11, б).

При подальшому нагріванні тіла енергія поступального руху перевищує енергію зв’язку молекул , сили міжмолекулярної взаємодії не можуть утримати молекули одну біля одної, і вони розлітаються по всьому наданому їм простору, речовина переходить у газоподібний стан. Внутрішня енергія визначається практично тільки значенням кінетичної енергії (мал. 11, в).

Мал. 11.

Отже, якщо , то речовина перебуває у твердому стані, якщо - стан речовини рідкий, якщо - газоподібний.

Виникає запитання: чому при тій самій температурі одні речовини тверді, інші рідкі чи газоподібні? Це пояснюється тим, що хоч вигляд потенціальної кривої для молекул усіх речовини однаковий, глибина потенціальної ями і відстань рівноважного стану залежать від роду речовини.

Поняття фази речовини. Під час переходу речовини від одного агрегатного стану до іншого виникає стан, коли речовина одночасно протягом деякого часу може існувати в різних агрегатних станах (неоднорідна система). Для опису таких рівноважних станів неоднорідних систем вводять поняття фази речовини.

Однорідна речовина перебуває в одній фазі, наприклад, шматок льоду або краплина води. Якщо ж у закритій посудині знаходиться вода, у якій плавають шматочки льоду, то вода – це рідка фаза, лід – тверда, а суміш повітря і водяної пари над водою – газоподібна. Це приклад трифазної системи. Якщо до води додати олію, то будемо мати систему з двома рідкими фазами, оскільки вода і олія не змішуються.

Різні агрегатні стани речовини є її різними фазами. Але поняття «фаза» - більш широке, ніж агрегатний стан. Так, багато речовину у твердому агрегатному стані можуть мати кілька фаз, які відрізняються одна від одної за своїми властивостями. Наприклад, алмаз і графіт є різними твердими фазами вуглецю.

Дайте відповіді на запитання

1. Назвіть основні властивості газів, рідин, твердих тіл.

2. Опишіть характер руху та розміщення молекул у газах, рідинах і твердих тілах.

3. Яке співвідношення між кінетичною і потенціальною енергіями для газоподібного, рідкого і твердого станів речовини.

4. Яка середня відстань між молекулами в газах, рідинах і твердих тілах?

Основи молекулярно-кінетичної теорії ідеального газу Гази мають низку властивостей, завдяки яким вони незамінні в багатьох технічних установках. Газ – робоче тіло теплових машин; пневматичних інструментів; транспорту на повітряній подушці тощо.