Природа сил міжмолекулярної взаємодії. З проявом сил міжмолекулярної взаємодії ми ознайомились, вивчаючи механіку (пригадайте природу сили тертя та сили пружності).

Згідно з третім положенням молекулярно-кінетичної теорії, молекули взаємодіють одна з одною силами електромагнітної природи. Хоча молекули є електронейтральними, до їх складу входять різнойменно заряджені частинки — ядро та електрони. Як відомо, однойменні заряди відштовхуються, а різнойменні — притягаються, тому між молекулами одночасно діють сили і притягання, і відштовхування. Крім того, між рухомими зарядженими частинками атомів і молекул є магнітна взаємодія, яка робить свій внесок у рівнодійну сил притягання й відштовхування молекул.

Сили притягання й відштовхування існують одночасно, але, як показують досліди, залежать від відстаней між частинками по-різному. Теоретичні розрахунки доводять, що сили відштовхування між двома молекулами

залежать від відстані між ними за законом

а сили притягання

Кінетична і потенціальна енергія молекул. Молекули тіла можуть мати різні швидкості, тому для характеристики стану тіла використовують середню кінетичну енергію поступального руху молекул Е_к. Оскільки між молекулами є сили взаємодії, то молекули тіла, крім кінетичної, мають потенціальну енергію Е_п. Вважатимемо, що потенціальна енергія відокремленої молекули, яка не взаємодіє з іншими молекулами, дорівнює нулю. Тоді при взаємодії двох молекул потенціальна енергія, зумовлена силами відштовхування, буде додатною, а силами притягання — від’ємною, оскільки, зближуючи молекули, для подолання сил відштовхування треба виконати певну роботу, а сили притягання, навпаки, самі виконують роботу.

На малюнку 118 наведено залежність зміни потенціальної енергії взаємодії двох молекул від відстані між ними. Частину кривої потенціальної енергії в околі її найменшого значення називають потенціальною ямою, а найменше значення потенціальної енергії E . — глибиною потенціальної ями (або енергією зв’язку).

Енергія зв’язку E^^ визначається величиною роботи, яку потрібно виконати проти сил притягання, щоб молекули, які перебували в рівноважному стані, віддалилися на нескінченно велику відстань. Іншими словами, глибина потенціальної ями має простий фізичний зміст: «щоб викотитися з ями, необхідна енергія, що дорівнює глибині ями».

Повна енергія, яка складається з кінетичної енергії молекул і їх потенціальної енергії взаємодії, визначає внутрішню енергію тіла. Співвідношення між двома складовими внутрішньої енергії — середньою кінетичною та середньою потенціальною енергіями — визначає той чи інший агрегатний стан речовини.

Повна енергія на будь-яких відстанях залишається сталою: -Епов = Е_к + Е_и = const.

Якби не було теплового руху (Е_к = 0), молекули розмістилися б на відстані r , яка відповідає рівноважному стану, оскільки рівнодійна міжмолекулярних сил на цій відстані дорівнює нулю (мал. 118). Повна енергія в цьому разі дорівнює потенціальній енергії взаємодії.

Оскільки молекули завжди мають кінетичну енергію (їх тепловий рух ніколи не припиняється), то відстань між ними безперервно змінюється. Якщо кінетична енергія E молекули буде меншою від Е_п , то молекула рухатиметься так, що значення її потенціальної енергії взаємодії лежатиме в межах потенціальної ями. При цьому сили взаємодії утримують молекули одна біля одної на деякій середній відстані r. Що більшою буде кінетична енергія молекули, то більшою стає середня відстань між молекулами.

Якщо кінетична енергія молекули Е_к2 більша за Е_п , то вона подолає «потенціальний бар’єр» і відстань між молекулами може збільшуватись безмежно.

Слід зазначити, що характер зміни потенціальної енергії в усіх речовинах однаковий, але значення мінімальної потенціальної енергії Е_пмін залежить від природи речовини та її агрегатного стану.

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

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

Звернімося знову до графіка залежності потенціальної енергії взаємодії молекул від відстані між ними (мал. 118, с. 141). 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 від Е_пмін, 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 (за однакових значень температури) (мал. 119, а).

З підвищенням температури тіла кінетична енергія Е_к руху його молекул збільшується, а з наближенням Е_к до Е_пмін речовина переходить у рідкий стан. Абсолютне значення внутрішньої енергії речовини в рідкому стані

близьке до нуля (мал. 119, б). З подальшим нагріванням тіла Е_к поступального руху стає більшою за енергію зв’язку молекул E > E . , сили міжмолекулярної

к п.мін

взаємодії вже не можуть утримати молекули одна біля одної, і вони розлітаються по всьому наданому їм простору (об’єму), речовина переходить у газоподібний стан. Внутрішня енергія визначається практично тільки значенням кінетичної енергії (мал. 119, в).

Виникає запитання, чому за тієї самої температури одні речовини тверді, інші рідкі чи газоподібні? Пояснюється це тим, що, хоч вигляд потенціальної кривої для всіх речовин однаковий, глибина потенціальної ями і відстань рівноважного стану залежать від виду речовини.

Поняття фази речовини. Під час перетворення речовини з одного агрегатного стану в інший протягом деякого часу речовина може існувати в різних

агрегатних станах (неоднорідна система). Для опису рівноважних станів неоднорідних систем вводять поняття фази речовини.

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

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

ЗНАЮ, вмію, розумію

1. Яка природа міжмолекулярних сил? Які властивості мають сили молекулярної взаємодії?

2. Як сили взаємодії між молекулами залежать від відстані між ними?

3. Назвіть основні визначальні властивості газів, рідин, твердих тіл.

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

5. Яке співвідношення між кінетичною та потенціальною енергіями молекул для газоподібного, рідкого і твердого станів речовини?

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

Експериментуємо

Візьміть два невеликі скельця (найкраще — предметні скельця від мікроскопа) і добре витріть їхні поверхні сухою ганчіркою, щоб на них не було пилу, жиру та вологи. Складіть поверхні разом і, тримаючи одне з них у горизонтальному положенні, переконайтеся, що вони «злиплися». Поясніть це «злипання» скелець. Чому вони не тримаються разом, якщо їх попередньо не протерти? Чому дослід не вдається зі шматочками дерева чи металу?

Це матеріал з підручника Фізика і астрономія за 10 клас Засєкіна (профільний рівень)