§ 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МОЛЕКУЛ; ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ МОЛЕКУЛ

Характер и величина силы взаимодействия между молекулами зависят от расстояния между ними. Установлено, что на малых расстояниях молекулы отталкиваются друг от друга, а на больших — притягиваются. На рис. 11.2 показано изменение сил взаимодействия двух изолированных молекул в зависимости от расстояния между ними (для простоты рассуждений молекулы предполагаются одинаковыми).

Рис. 11.2

Такой характер зависимости от можно объяснить, если предположить, что между молекулами одновременно существуют силы отталкивания, быстро убывающие с расстоянием, и силы притяжения, также ослабляющиеся с расстоянием, но медленнее. На расстоянии эти силы равны, т. е. их равнодействующая равна нулю. При преобладают силы отталкивания, при силы притяжения.

Легко показать, что при таком характере сил взаимодействия молекулы будут совершать колебательные движения. Действительно, допустим, что при когда силы взаимодействия между молекулами равны нулю, молекулы движутся навстречу друг другу со скоростями, равными Тогда по мере уменьшения расстояния между молекулами силы отталкивания будут совершать отрицательную работу, уменьшая кинетическую энергию их, и на некотором расстоянии

молекулы, потеряв своюэнергию, остановятся. Можно утверждать, что при этом кинетическая энергия обеих молекул перешла в потенциальную энергию их взаимодействия.

В масштабе чертежа, приведенного на рис. 11.2, эта энергия, равная работе сил отталкивания на участке от до изобразится заштрихованными площадками В дальнейшем силы отталкивания отбрасывают молекулы друг от друга и потенциальная энергия этой системы переходит обратно в кинетическую энергию. На расстоянии потенциальная энергия системы становится равной нулю (так как равны нулю силы взаимодействия), т. е. целиком переходит в кинетическую энергию удаляющихся друг от друга молекул. При увеличении расстояния между ними начнут действовать силы притяжения, которые остановят эти молекулы на некотором расстоянии В этом состоянии опять-таки кинетическая энергия молекул целиком превращена в потенциальную; на рис. 11.2 эти энергии изобразятся заштрихованными площадками (очевидно, В последующем начнется обратное движение молекул и процесс повторяется: расстояние между молекулами периодически изменяется от до

Описанное выше колебательное движение молекул не является, вообще говоря, гармоническим, так как действующие на молекулы силы не удовлетворяют условию линейности коэффициент упругой силы, смещение молекул от положения равновесия). Лишь при малых амплитудах колебаний, когда достаточно малы и отрезок кривой на участке может быть заменен отрезком прямой, колебания будут близки к гармоническим.

Мы рассматривали колебательное движение двух изолированных молекул, находящихся достаточно далеко от других молекул. Действительная картина колебательных движений в веществе гораздо сложнее, так как каждая молекула одновременно взаимодействует со многими другими молекулами. При этом в конечном счете движение молекул является беспорядочным, т. е. направления колебательных движений изменяются с течением времени совершенно беспорядочно.

Для характеристики различных состояний вещества важно установить, насколько прочно связана между собой каждая пара взаимодействующих друг с другом молекул. Очевидно, эту связь можно оценить по величине работы, которую необходимо затратить, чтобы «оторвать» молекулы друг от друга, или, как говорят, удалить их на бесконечно большие расстояния друг от друга. На рис. 11.2 эта работа в масштабе чертежа изображается площадками она зависит от величины наибольшего расстояния на которое при колебаниях удаляются друг от друга взаимодействующие молекулы. Чем больше тем слабее силы притяжения между молекулами и, следовательно, тем меньшую работу необходимо затратить для разъединения этих молекул.

Работа, необходимая для отрыва молекул друг от друга, может быть сообщена им различными способами; в частности, связь между данной парой взаимодействующих молекул может быть разрушена

тепловым столкновением с другими молекулами. Вероятность такого события особенно велика, если средняя кинетическая энергия теплового движения молекул превосходит по величине работу отрыва молекул друг от друга. Так как средняя кинетическая энергия теплового движения пропорциональна температуре, то при очень высоких температурах тепловые столкновения разрушают всякую связь между молекулами; это означает, что при достаточно высоких температурах вещество будет находиться в газообразном состоянии. При низких температурах, когда работа отрыва молекул друг от друга значительно больше средней энергии их теплового движения, вероятность разрушения связи между молекулами очень мала и эта связь может сохраняться долго: вещество находится в твердом состоянии. Жидкое же состояние является промежуточным.