Содержание

Главная >> Молекулярная физика. Термодинамика. Физика 10 кл. Мякишев

Глава 2. Основы молекулярно-кинетической теории

§ 2.6. Строение газообразных, жидких и твердых тел (окончание)

Теперь рассмотрим, как связаны средняя кинетическая и средняя потенциальная энергии молекулы жидкости. Каждая молекула жидкости взаимодействует сразу с несколькими соседями. Ограничимся учетом взаимодействия данной молекулы с двумя ближайшими соседями, находящимися примерно на расстоянии 2r₀ друг от друга.

Искомую потенциальную кривую можно получить наложением кривой, изображенной на рисунке 2.15, (а) (парное взаимодействие), на такую же кривую, смещенную относительно первой на расстояние, чуть большее 2r₀. Потенциальные энергии складываются, поэтому глубина потенциальной ямы увеличивается почти вдвое, а максимумы энергии уменьшаются (рис. 2.23). Ход потенциальной кривой с учетом взаимодействия с другими молекулами показан на рисунке 2.24.

Для того чтобы молекула не могла покинуть жидкость, ее средняя энергия должна быть отрицательна Только в этом случае молекула останется внутри потенциальной ямы, образованной ее соседями. Если то молекула не удержится внутри жидкости и покинет ее.

Так как то средняя кинетическая энергия молекулы жидкости меньше абсолютного значения средней потенциальной энергии: причем лишь незначительно меньше:

Поэтому — максимального (по модулю) значения потенциальной энергии. На рисунке 2.24 график средней энергии молекулы изображен отрезком прямой.

Колебания молекулы в потенциальной яме не продолжаются долго. Из-за хаотичности движения молекул их энергия непрерывно меняется и становится то больше, то меньше средней энергии Как только энергия молекулы превысит высоту потенциальной кривой (высоту потенциального барьера), отделяющей одну яму от другой, молекула перескочит из одного положения равновесия в другое.

Твердые тела

Атомы или молекулы твердых тел в отличие от жидкостей не могут разорвать свои связи с ближайшими соседями и колеблются около определенных положений равновесия. Правда, иногда молекулы изменяют положение равновесия, но происходит это крайне редко. Вот почему твердые тела сохраняют не только объем, но и форму.

Есть еще одно различие между жидкими и твердыми телами. Жидкость можно сравнить с толпой, в которой люди беспокойно толкутся на месте, а твердое тело, как правило, подобно стройной когорте, где люди хотя и не стоят по стойке «смирно», но выдерживают между собой в среднем определенные интервалы. Если соединить центры положений равновесия атомов или молекул твердого тела, то получится правильная пространственная решетка, называемая кристаллической. На рисунках 2.25 и 2.26 показаны кристаллические решетки поваренной соли и алмаза*.

* В действительности размеры атомов (или ионов) сравнимы с расстояниями между узлами кристаллической решетки, так что атомы почти соприкасаются друг с другом. На рисунках 2.25 и 2.26 их размеры сознательно уменьшены, для того чтобы была видна кристаллическая решетка.

Если кристаллу не мешают расти, то внутренний порядок в расположении атомов приводит к геометрически правильным внешним формам.

Кривая потенциальной энергии взаимодействия молекулы твердого тела со своими ближайшими соседями (рис. 2.27) похожа на кривую потенциальной энергии взаимодействия молекул жидкости (см. рис. 2.24). Только глубина потенциальной ямы должна быть несколько больше, так как молекулы расположены ближе друг к другу. Условие выполняемое для жидких тел, выполняется и для твердых. Но кинетическая энергия молекул твердого тела значительно меньше, чем молекул жидкости. Ведь твердые тела образуются при охлаждении. Соответственно в твердых телах средняя кинетическая энергия молекул значительно меньше абсолютного значения средней потенциальной энергии:

На рисунке 2.27 средняя энергия молекулы внутри ямы изображена отрезком прямой. Частица совершает колебания у дна потенциальной ямы. Высо́ты потенциальных барьеров между соседними ямами велики, и молекулы почти не перемещаются из одного положения равновесия в другое. Для перемещения молекула должна получить энергию, значительно превышающую среднюю. Это событие маловероятно. Вот почему твердые тела в отличие от жидкостей сохраняют свою форму.

У газов средняя кинетическая энергия молекул больше средней потенциальной энергии. У жидкостей средняя кинетическая энергия немного меньше средней потенциальной, у твердых тел средняя кинетическая энергия много меньше средней потенциальной.

<<< К началу параграфа