physics.zfftt.kpi.ua

Атоми й молекули складаються із різнойменно заряджених частинок – ядер та електронів, між якими діють сили притягання та відштовхування, що не однаково швидко змінюються із відстанню r між частинками. Це ілюструє схематичний рис. 3.1.(1), на якому синя, червона та зелена криві відповідають силі притягання f_п, відштовхування f_в та сумарній силі взаємодії f між двома молекулами. На великій відстані притягання й відштовхування між молекулами, природньо, є скомпенсованим. А при зближенні спочатку швидше зростає притягання, а потім відштовхування, так що на відстані r = r₀ порядку розмірів молекул, сили зрівноважуються, а потім стрімко наростає відштовхування. Таким чином, при відхиленні молекул від указаного положення в той, чи інший бік виникає сила, що прагне відновити їхнє початкове розташування. Через це в рідинах і твердих тілах молекули тримаються купи, а їхній тепловий рух має характер малих коливань навколо положень рівноваги. Це пояснює наявність заданого об'єму та форми у твердих тіл. Рідини теж мають власний б'єм, але є текучими, тобто приймають форму посудини, в якій містяться. Це зумовлюється значно слабшим, аніж у твердих тілах, зчепленням між молекулами, через що вони спонтанно ''перескакують'' з одних рівноважних положень у інші, так що рідина завжди щільно прилягяє до стінок посудин. 

Для подолання сил зчеплення та розриву зв'язку між молекулами тіла має бути виконана певна робота. Вона називається енергією зв'язку і може виконуватися як за рахунок прикладеної до тіла зовнішньої 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. У такому разі кінетичної енергії вистачає лише на незначні зміщення молекул з рівноважних положень. Тому

 Це зумовлює зумовлює характерні властивості твердих тіл – здатність зберігати форму та високу міцність.

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

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

 Рідини займають проміжне становище між твердими тілами та газами. Енергія зв'язку молекул у них 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 наявність власного об'єму та нестисливість рідин. Але через високу рухливість

Цим зумовлена текучість рідин – вони не мають власної форми і щільно заповнюють посудину, в якій знаходяться, так, що, за винятком країв, вільна поверхня рідини 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

де t – температура в °C, l₀ – 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):

Аналогічно змінюється й об'єм тіла при нагріванні:

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

Коефіцієнти теплового розширення \(\alpha \) та \(\beta \) пов'язані між собою співвідношенням

 і є табличними характеристиками речовин.