ФІЗИКА. Вчимося розв'язувати задачі. "МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА І ТЕРМОДИНАМІКА". Компенсаційний курс: 3.1. Теоретичні відомості. Молекулярні сили

ФІЗИКА. Вчимося розв'язувати задачі. "МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА І ТЕРМОДИНАМІКА". Компенсаційний курс

◄ Previous: Розділ 3. Пари, рідини та тверді тіла Next: Пароутворення ►

Розділ 3. Пари, рідини та тверді тіла

3.1. Теоретичні відомості. Молекулярні сили

Атоми й молекули складаються з різнойменно заряджені частинок (ядер і електронів), між якими діють сили одночасно і притягання , і відштовхування, залежність яких від відстані r між молекулами схематично показано на рис. 9.1.( вектор fвчервоним,поміняти позначення) Як завжди, обидві сили зростають при зближенні молекул, але не однаково: на великих відстанях переважає сила притягання f_п (синя крива), а на малих – відштовхування f_в (червона крива). Тому існує певна відстань r = r₀, на якій результуюча вказаних сил (зелена крива) f = f_в + f_п = 0. Отже, притягання та відштовхування між молекулами є скомпенсоване, причому так, що при зміні їхнього взаємного розташування в будь-який бік виникає сила, що прагне повернути їх у рівноважне положення.
Тому в рідинах і твердих тілах молекули тримаються купи, а їхній тепловий рух має характер малих коливань навколо рівноважних положень. З тієї ж причини тверді тіла зберігають об'єм і форму. Власний об'єм мають і рідини, але через значно слабший зв'язок, молекули в рідинах час від часу спонтанно змінюють свої рівноважні положення і через це не здатні зберігати форму

Для подолання сил зчеплення та розриву зв'язку між молекулами тіла потрібна певна робота. Вона називається енергією зв'язку і може виконуватися як за рахунок прикладеної до тіла деформуючої сили, так і за рахунок кінетичної енергії теплового руху молекул. Тому, залежно від співвідношенням між енергією зв'язку та енергією теплового руху молекул речовина може перебувати в твердому, рідкому чи газоподібному стані та переходити з одного агрегатного стану в інший при зміні температури.

Твердий стан речовини спостерігається, коли в ній енергія зв'язку молекул є набагато більша за кінетичну енергію теплового руху молекул. За такої умови кінетичної енергії вистачає лише на незначні зміщення молекул з рівноважних положень. Тому

молекули твердого тіла розміщуються у просторі в правильному геометричному порядку, утворюючи кристалічну структуру (ґратку), і здійснюють лише малі коливання навколо положень рівноваги.

Тож характерними рисами твердих тіл є здатність зберігати форму та велика міцність.

У газах, напроти, енергія зв'язку молекул зазвичай є набагато меншою за середню кінетичну енергію теплового руху. За такої умови сили міжмолекулярного зчеплення не здатні утримувати молекули газу одна біля одної. Тож

у газах молекули рухаються практично як вільні частинки, і взаємодіють лише при випадкових зіткненнях між собою та зі стінками посудини.

Через це визначальними властивостями газів є здатність заповнювати весь наданий об'єм і велика стисливість.

У цьому контексті рідини займають проміжне становище між твердими тілами та газами. Енергія зв'язку молекул у рідинах перевищує кінетичну енергію теплового руху, але не так сильно, як у твердих тілах. Тому в рідинах, подібно до твердого тіла, молекули розміщені щільно, що пояснює нестисливість рідин. Але через високу рухливість

молекули рідини не мають постійних положень рівноваги й часто переміщуються на значні відстані.

Цим зумовлена текучість рідин – вони не мають власної форми і щільно заповнюють посудину, в якій знаходяться, так, що вільна поверхня завжди є горизонтальна.

Як говорилося, тепловий рух молекул у твердих тілах і рідинах має характер малих коливань навколо положень рівноваги. При підвищенні температури їхня кінетична енергія зростає. Через це збільшується амплітуда теплових коливань і середня відстань між молекулами. Цим пояснюється теплове розширення рідин і твердих тіл, тобто збільшення їх лінійних розмірів l (лінійне розширення) і об'єму V (об'ємне розширення). При невисоких температурах лінійне розширення підпорядковується закону

\(l={{l}_{0}}+(1+\alpha t),\)

(3.1)

де t – температура в °C, l₀д – довжина тіла при t = 0°C.

Величина \( \alpha \) називається коефіцієнтом лінійного розширення і показує відносну зміну довжини тіла при зміні температури на 1 K (або 1°C):

\(\alpha =\frac{l-{{l}_{0}}}{{{l}_{0}}t}(\frac{1}{K}).\)

(3.2)

Аналогічно змінюється й об'єм тіла при нагріванні:

\(V={{V}_{0}}(1+\beta t),\)

(3.3)

де V₀ – об'єм тіла при t = 0 °C, \(\beta \) – коефіцієнт об'ємного розширення.

\(\beta =\frac{V-{{V}_{0}}}{{{V}_{0}}t}(\frac{1}{K}).\)

(3.4)

Коефіцієнти \(\alpha \) та \(\beta \) є пов'язані співвідношенням:

\(\beta =3\alpha \).

(3.5)

Коефіцієнти теплового розширення \(\alpha \) и \(\beta \) є табличними характеристиками речовин.

◄ Previous: Розділ 3. Пари, рідини та тверді тіла Next: Пароутворення ►