Агрегатные состояния вещества. Особенности теплового движения в различных агрегатных состояниях вещества

Как уже отмечалось выше, одним из важнейших параметров, ха­рактеризующих молекулу, является минимальная потенциальная энер­гия взаимодействия E_P0. Силы притяжения, действующие между молекулами стремятся сконденсировать вещество, т.е. сблизить его молекулы до расстояния r₀ (рис.3), когда их потенциальная энер­гия взаимодействия минимальна и равна E_P0, но этому сближению препятствует хаотическое тепловое движение молекул. Интенсивность этого движения определяется средней кинетической энергией моле­кулы, которая имеет порядок kT, где k - постоянная Больцмана. Агрегатные состояния вещества существенным образом зависят от соотношения величин E_P0 и kT.

Предположим, что температура рассматриваемой системы молекул столь высока, что kT >> E_P0. В этом случае интенсивное хаотическое тепловое движение мешает силам притяжения соединить мо­лекулы в агрегаты из нескольких частиц, сблизившихся до расстояния r₀: при соударениях большая кинетическая энергия молекул будет легко разбивать эти агрегаты на составляющие молекулы и, таким образом, вероятность образования устойчивых агрегатов будет как угодно малой. В этих обстоятельствах рассматриваемые молекулы, очевидно, будут находиться в газообразном состоянии.

Если температура системы частиц очень низкая, т.е. kT << E_P0, молекулам, действующими силами притяжения, тепловое движение не может помешать приблизиться друг к другу на расстояние близкое к r₀ в определенном порядке. При этом система частиц будет находить­ся в твердом состоянии, а небольшая кинетическая энергия теплового движения вынудить молекулы совершать беспорядочные малые ко­лебания около определенных положений равновесия (узлов кристал­лической решетки).

Наконец, при температуре системы частиц, определяемой из приближенного равенства kT ≈ E_P0, кинетическая энергия тепло­вого движения молекул, величина которой примерно равна потенциаль­ной энергии притяжения, не сможет переместить молекулу на расстоя­ние, существенно превышающее r₀. В этих условиях вещество будет находиться в жидком агрегатном состоянии.

Таким образом, вещество, в зависимости от своей температуры и величины E_P0, присущей данному сорту составляющих его молекул, будет находиться в газообразном, твердом или жидком состоянии. При этом температура перехода из одного агрегатного состояния в другое определяется характерным для данного вещества (сорта молекул) числом E_P0.

Известно, что у инертных газов (гелий, неон, аргон и др.) величина E_P0 сравнительно мала. Поэтому в широком температурном интервале они пребывают в газообразном состоянии и переходят в жидкость при весьма низких температурах, близких к абсолютному нулю. У металлов E_P0, напротив, как правило, велико. Поэтому до достаточно высоких температур металлы находятся в твердом состоянии.

Подытоживая, можно сказать, если вещество находится при
очень низкой температуре, то молекулы имеют очень малую кинетичес­кую энергию и силы притяжения удерживают молекулы вместе в упоря­доченной плотно упакованной структуре, или решетке. При этом молекулы совершают колебания возле узлов (положений равновесия) кристал­лической решетки с амплитудой тем меньшей, чем ниже температура. Если к кристаллу подвести энергию, его температура повышается, и молекулы все сильнее колеблются относительно своих равновесных по­ложений. Если к кристаллу подведена достаточная энергия, то упорядоченная структура молекулярного кристалла разрушается кинети­ческой энергией теплового движения и молекулы получают возможность свободно "скользить" одна вдоль другой, хотя по-прежнему соприка­саются друг с другом. Эта ситуация соответствует жидкому состоянию, а температура перехода между кристаллическим и жидким сос­тоянием определяется по порядку величины определяется из равенства kT_пл = E_P0 , где T_пл - температура плавления вещества. Жидкость по-прежнему удерживается силами притяжения, хотя молекулы имеют достаточно большую кинетическую энергию движения, чтобы оставаться в фикси­рованных положениях равновесия. Если к жидкости подвести еще до­полнительную энергию, молекулы начинают двигаться достаточно быстро и способны преодолевать силы притяжения, полностью отделяясь друг от друга и двигаясь в пространстве по независимым траекториям. Эта ситуация соответствует газообразному состоянию, а температура перехода между жидкостью и газом называется температурой кипения.

В заключение этого параграфа отметим, какие виды движений испытывает молекула вещества, находящегося в определенном агрегатном состоянии.

При нормальных условиях расстояние между молекулами в газе в десятки раз (см.пример параграфа 1.1) превышают их размеры; большую часть времени они движутся прямолинейно без взаимодей­ствия и только значительно меньшую часть времени, когда находят­ся на близких расстояниях от других молекул, взаимодействуют с ними, меняя направление своего движения. Таким образом, в газо­образном состоянии движение молекулы выглядит так, как схематич­но показано на рис.6,а.

Рис.6

В твердом состоянии каждая молекула (атом) вещества находит­ся в равновесном положении (узел кристаллической решетки), возле которого она совершает малые колебания, причем направление (к при­меру, аа^′ на рис.6,б) и амплитуда этих колебаний случайно изменяются (к примеру, на направление bb^′ ) через время, значительно большее периода этих колебаний; частоты колебаний молекул, расположенных в разных местах, в общем случае, неодинаковы. Траектория движения отдельной молекулы твердого тела в общих чертах представ­лена на рис.6,б.

Молекулы твердого тела упакованы так плотно, что расстояние между ними примерно равно их диаметру, т.е. расстоянию r₀ на рис.3. Из опыта известно, что плотность жидкого состояния примерно на 10 % меньше плотности твердого, при прочих равных условиях. Поэтому расстояние между молекулами жидкого состояния нес­колько больше r₀. Учитывая, что в жидком состоянии молекулы об­ладают еще и большей кинетической энергией теплового движения, следует ожидать, что, в отличие от твердого состояния, они могут, совершая колебательное движение, достаточно легко менять свое местоположение, перемещаясь на расстояние, существенно не превышаю­щее диаметр молекулы. Траектория движения молекулы жидкости в главных чертах выглядит так, как схематически показано на рис.6,в. Таким образом, движение молекулы в жидкости сочетает в себе посту­пательное движение, как это имеет место в газе, с колебательным, что наблюдается в твердом теле.

Несмотря на неодинаковый характер движения молекул в различ­ных агрегатных состояниях, общим является случайность, непредска­зуемость этих движений. Средняя кинетическая энергия этих беспоря­дочных движений определяет тепловое состояние вещества, его темпе­ратуру.