Взаимодействие молекул реального газа

r

а

рис.64

б

Fприт

Fприт

r

Fот

Fот

r

в

 

 

 

Рассмотрим силы взаимодействия молекул.

Атомы и молекулы – весьма устойчивые системы. В известном смысле атомы “тверже” стальных шаров.

Стальные шары, налетающие друг на друга, со скоростью 500 м/с, разобьются, а атомы даже при бльших скоростях не претерпевают изменений в структуре.

Суммарный электрический заряд атома равен нулю. Поэтому на больших расстояниях (практически на расстоянии r, равном 2-3 диаметрам молекулы рис. 64а) силовая характеристика электрического поля, создаваемого атомами или молекулами, равна нулю, а следовательно, равна нулю и сила их электрического взаимодействия. При сближении молекул начинает проявляться взаимодействие зарядов. Мгновенное распределение зарядов станет таким, что возникнет сила притяжения, (рис. 64б) которая возрастает по мере сближении молекул. Однако, когда молекулы подойдут “вплотную”друг к другу и “соприкоснутся“ своими электронными оболочками дальнейшее сближение окажется невозможным. Между электронными оболочками возникнут огромные силы отталкивания (рис. 64в). На рис. 65 дана примерная зависимость сил F(r) от расстояния.

Значения силы F<0 соответствуют силам притяжения, а значения силы F>0 соответствуют силам отталкивания.

r

F

r0

Рис. 65

r

Enmin

E

r0

На некотором расстоянии r₀ эти силы уравновешивают друг друга и равнодействующая их равна нулю. Ниже на рис. 65 приведена зависимость потенциальной энергии Е_п взаимодействия молекул. Выберем начало отсчета для значения Е_п в бесконечности, т.е. Е_п=0 при r=∞. При постепенном сближении молекул между ними появляются силы притяжения (F<0).

 

 

Эти силы совершают положительную работу и потенциальная энергия постепенно уменьшается (аналогично случаю свободно падающего на Землю тела). При выбранном начале отсчета потенциальная энергия будет отрицательна и при некотором r=r₀ достигнет наименьшего значения. При переходе через положение равновесия и дальнейшем сближении молекул возникнут силы отталкивания (F>0). Совершаемая против этих сил работа будет отрицательной и потенциальная энергия будет резко возрастать.

Устойчивому положению взаимодействующих молекул соответствует:

1. Наименьшее значение потенциальной энергии взаимодействия молекул. Это – общее положение: система устойчива, если она обладает минимальным запасом энергии.

2. Равенство нулю сил взаимодействия молекул. Уменьшение r приводит к отталкиванию молекул, а увеличение r – к их притяжению.

Кинетическая энергия Е_к пропорциональна kT. Структура совокупности молекул и агрегатное состояние вещества будут зависеть от соотношения величин минимальной потенциальной энергии Е_{п min} и kT.

1. Если Е_{п min}» kT (в случае низких температур), то молекулы притянутся друг к другу и расположатся вплотную – вещество будет находиться в твердом состоянии.

2. В противоположном предельном случае высоких температур (kT» Е_{п min}) интенсивное тепловое движение молекул будет препятствовать соединению молекул в агрегаты, При соударении молекул эти агрегаты будут моментально разбиваться и вещество будет находиться в газообразном состоянии.

3. При промежуточных температурах, когда kT Е_{п min}, благодаря тепловому движению молекулы будут непрерывно перемещаться в пространстве, обмениваясь местами, но не увеличивая взаимных расстояний на величину, заметно превышающую r₀; вещество будет находиться в жидком состоянии. Над твердым и жидким веществом всегда присутствует небольшое количества того же вещества в газообразном состоянии.