2. Молекулярная физика и термодинамика

Глава VII. Общие сведения о строении вещества

§ 35. Основные положения молекулярно-кинетической теории

Представление о том, что все тела построены из мельчайших частиц — атомов, возникло еще в глубокой древности и было достаточно отчетливо высказано греческим философом Демокритом (V в. до н. э.). Однако в дальнейшем эти атомистические воззрения были забыты и возрождены лишь во второй половине XVII в. Бойлем, а затем в XVIII—XIX вв. разработаны Ломоносовым, Дальтоном, Кренигом, Больцманом, Максвеллом и другими в качестве научной теории, получившей название классической молекулярно-кинетической теории. Эта теория основана на следующих положениях.

1. Все вещества состоят из очень маленьких отдельных частиц — молекул. Молекулы, образующие данное вещество, совершенно одинаковы; различные же вещества состоят их различных молекул. В соответствии с чрезвычайным многообразием встречающихся в природе веществ существует и чрезвычайно большое количество различных видов молекул.

Молекулы в свою очередь состоят из еще более мелких частиц — атомов. Число различных атомов сравнительно невелико и равно числу химических элементов и их изотопов. Различные комбинации из этих немногочисленных атомов и создают все множество видов молекул.

Атомы также не являются пределом делимости вещества, а представляют собой весьма сложные образования, состоящие из электрически положительно заряженного ядра, окруженного отрицательно заряженной электронной оболочкой. Однако классическая молекулярно-кинетическая теория не касается вопроса о строении атомов, рассматривая их упрощенно как твердые частички сферической формы.

Размеры (диаметры) атомов и молекул имеют в среднем порядок см. Это означает, что десять миллионов молекул, уложенные, вплотную друг к другу вдоль прямой линии, составят молекулярную цепочку длиной всего лишь в Очевидно, что при столь малом размере атомов и молекул число их в физическом теле должно быть колоссальным. Действительно, например, в одной капле

воды содержится около молекул. Молекулярная цепочка, составленная из такого количества молекул, имела бы длину в 300 млн. км, что в 800 раз превышает расстояние между Землей и Луной.

2. Между молекулами тела одновременно действуют силы взаимного притяжения (сцепления) и силы взаимного отталкивания. При этом силы отталкивания должны убывать с увеличением расстояния быстрее, чем силы сцепления.

Рис. 67

Только при этом условии молекулы могут находиться в устойчивом равновесии на некотором определенном расстоянии друг от друга (на котором силы сцепления равны силам отталкивания). Действительно, если под влиянием каких-либо причин молекулы сблизятся на расстояние, меньшее равновесного (т. е. соответствующего устойчивому равновесию), то силы отталкивания начнут преобладать над силами притяжения и восстановят равновесное расстояние между молекулами. Наоборот, если под влиянием каких-либо причин молекулы разойдутся на расстояние, большее равновесного, то начнут преобладать силы сцепления и сблизят молекулы на расстояние, соответствующее равновесному.

Согласно экспериментальным и теоретическим исследованиям, межмолекулярные силы взаимодействия обратно пропорциональны степени расстояния между молекулами:

где для сил притяжения а для сил отталкивания принимает значения от 9 до 15. Таким образом, действительно, эти силы очень быстро убывают с увеличением расстояния между молекулами, причем особенно быстро убывают силы отталкивания.

На рис. 67, а представлен примерный характер взаимодействия молекул в зависимости от расстояния между ними. По оси абсцисс отложены расстояния по оси ординат — величины сил отталкивания и сил притяжения между молекулами, а также результирующей этих сил. Причем силы отталкивания приняты положительными, а

силы притяжения — отрицательными. Таким образом, для каждого расстояния результирующая и положительные ее значения соответствуют отталкиванию, а отрицательные — притяжению между молекулами.

Очевидно, что равновесное расстояние между молекулами составляет около см, так как на этом расстоянии При см преобладают силы отталкивания а при см преобладают силы притяжения На расстоянии см межмолекулярные силы практически перестают действовать Таким образом, силы межмолекулярного взаимодействия проявляются на расстояниях такого же порядка, как размер самих молекул.

Установим теперь примерный характер зависимости потенциальной энергии взаимодействия молекул от расстояния между ними. Потенциальную энергию тяготеющих тел, находящихся на бесконеч ном расстоянии друг от друга, мы условились считать равной нулю (см. § 17). Поэтому при будет Если молекулы окажутся на расстоянии см друг от друга, то они начнут сближаться за счет работы силы притяжения, а потенциальная энергия молекул будет при этом уменьшаться и достигнет минимального значения Дальнейшее сближение молекул возможно только за счет работы, совершаемой против сил отталкивания. При этом потенциальная энергия молекул начнет резко возрастать. В результате кривая потенциальной энергии взаимодействия молекул (рис. 67, б) будет иметь минимум при Следовательно, положение устойчивого равновесия молекул соответствует минимуму их потенциальной энергии.

График зависимости потенциальной энергии взаимодействия молекул от расстояния между ними называют потенциальной кривой, участок этой кривой принято называть потенциальной ямой, точку В — дном потенциальной ямы, а ординату глубиной потенциальной ямы.

Силы межмолекулярного взаимодействия имеют электрическую природу, обусловленную тем, что молекулы состоят из электрически заряженных частиц (положительных — атомных ядер и отрицательных — электронов), которым, как известно, свойственно взаимодействие (притяжение — для разноименно заряженных и отталкивание — для одноименно заряженных частиц).

Правда, в целом молекула электрически нейтральна. Однако заряды в молекуле расположены (или располагаются в процессе ее сближения с другой молекулой) не вполне симметрично. Благодаря этому молекулы оказываются полярными, подобными электрическим диполям (см. § 76); между их разноименно заряженными «полюсами» возникают силы притяжения, преобладающие над силами отталкивания одноименно заряженных «полюсов». Если же молекулы очень близко подойдут друг к другу, то решающую роль в их взаимодействии начинают уже играть силы отталкивания между сблизившимися электронными оболочками атомов, составляющих эти молекулы.

3. Молекулы, образующие тело, находятся в состоянии непрерывного беспорядочного движения. При этом они сталкиваются друг с другом и изменяют свою скорость как по направлению, так и по величине. Правда, столкновения в обычном смысле этого слова не происходит, так

как соприкосновению молекул препятствуют резко возрастающие при их сближении силы отталкивания. Однако действие этих сил приводит к тому же результату, что и при обычном столкновении, т. е. к отскакиванию сблизившихся молекул друг от друга.

Скорость движения молекул в теле связана с его температурой: чем больше эта скорость, тем выше температура тела. Таким образом, скорость движения молекул определяет тепловое состояние тела — величину его внутренней энергии; поэтому хаотическое движение молекул также называют тепловым движением. Под внутренней энергией тела подразумевают совокупность кинетической энергии молекул и атомов, образующих это тело, и потенциальной энергии их взаимодействия.

По мере увеличения интенсивности теплового движения среднее расстояние между молекулами возрастает, а сглы сцепления уменьшаются. Этому процессу соответствует переход тела из твердого состояния жидкое, При достаточно интенсивном тепловом движении среднее расстояние между молекулами может стать настолько большим , что силы сцепления между ними практически перестанут действовать. При этом тело перейдет в газоофазное состояние. Таким образом, от интенсивности теплового движения молекул и от внешних условий зависит, в каком из трех возможных агрегатных состояний находится вещество: твердом, жидком или газообразном.

Изложенные ранее основные положения молекулярно-кинетической теории подтверждаются многочисленными опытными фактами и физическими явлениями; некоторые из них будут рассмотрены в следующем параграфе.