Силы и потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия

Реальные газы, жидкости и твердые тела

Силы и потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия

Модель идеального газа, используемая в молекулярно-кинетической теории газов, позволяет описывать поведение разрежен­ных реальных газов при достаточно высо­ких температурах и низких давлениях. При выводе уравнения состояния идеаль­ного газа размерами молекул и их взаимо­действием друг с другом пренебрегают. Повышение давления приводит к умень­шению среднего расстояния между молекулами, поэтому необходимо учитывать объем молекул и взаимодействие между ними. Так, в 1 м³ газа при нормальных условиях содержится 2,68•10²⁵ молекул, занимающих объем примерно 10^{-4 м3} (ра­диус молекулы примерно 10^{-10 м), кото­рым по сравнению с объемом газа (1 м3) можно пренебречь. При давлении 500 МПа (1 атм=101,3 кПа) объем моле­кул составит уже половину всего объема газа. Таким образом, при высоких дав­лениях и низких температурах ука­занная модель идеального газа непри­годна.}

При рассмотрении реальных газов —

газов, свойства которых зависят от взаи­модействия молекул, надо учитывать силы межмолекулярного взаимодействия.Они

проявляются на расстояниях £10^{-9 м и быстро убывают при увеличении рассто­яния между молекулами. Такие силы на­зываются короткодействующими.}

В XX в., по мере развития представле­ний о строении атома и квантовой механи­ки, было выяснено, что между молекулами вещества одновременно действуют силы притяжения и силы отталкивания.На рис. 88, а приведена качественная зависи­мость сил межмолекулярного взаимодей­ствия от расстояния r между молекулами, где F_o и F_п— соответственно силы оттал­кивания и притяжения, a F — их результи­рующая. Силы отталкивания считаются положительными, а силы взаимного при­тяжения — отрицательными.

На расстоянии r = r₀результирующая сила F=0, т. е. силы притяжения и оттал­кивания уравновешивают друг друга. Та­ким образом, расстояние r₀соответствует равновесному расстоянию между молеку­лами, на котором бы они находились в от­сутствие теплового движения. При r<r₀

преобладают силы отталкивания (F>0), при r>r₀ — силы притяжения (F<0). На расстояниях r>10^{-9 м межмолекулярные силы взаимодействия практически отсут­ствуют (}F®0).

Элементарная работа dA силы F при увеличении расстояния между молекула­ми на drсовершается за счет уменьше­ния взаимной потенциальной энергии мо­лекул, т. е.

dA=Fdr=-dП. (60.1)

Из анализа качественной зависимости по­тенциальной энергии взаимодействия мо­лекул от расстояния между ними (рис. 88, б) следует, что если молекулы находятся друг от друга на расстоянии, на котором межмолекулярные силы взаимо­действия не действуют (г®¥), то П=0. При постепенном сближении молекул между ними появляются силы притяжения (F<0), которые совершают положитель­ную работу (dA=Fdr>0). Тогда, со­гласно (60.1), потенциальная энергия вза­имодействия уменьшается, достигая мини­мума при r=r₀. При r<r₀с уменьшением r силы отталкивания (F>0) резко воз­растают и совершаемая против них работа отрицательна (dA=Fdr<0). Потенци­альная энергия начинает тоже резко воз­растать и становится положительной. Из данной потенциальной кривой следует, что система из двух взаимодействующих мо­лекул в состоянии устойчивого равновесия (r=r₀) обладает минимальной потенци­альной энергией.

Критерием различных агрегатных со­стояний вещества является соотношение величин П_min и kT. П_min — наименьшая потенциальная энергия взаимодействия молекул — определяет работу, которую нужно совершить против сил притяже­ния для того, чтобы разъединить моле­кулы, находящиеся в равновесии (r=r₀); kT определяет удвоенную среднюю энер­гию, приходящуюся на одну степень сво­боды хаотического теплового движения молекул.

Если П_min<<kT, то вещество находится в газообразном состоянии, так как интен­сивное тепловое движение молекул пре­пятствует соединению молекул, сблизив-

шихся до расстояния r₀, т. е. вероятность образования агрегатов из молекул доста­точно мала. Если II_min>>kT, то вещество находится в твердом состоянии, так как молекулы, притягиваясь друг к другу, не могут удалиться на значительные расстоя­ния и колеблются около положений равно­весия, определяемого r0. Если П_min»kT, то вещество находится в жидком состоя­нии, так как в результате теплового дви­жения молекулы перемещаются в про­странстве, обмениваясь местами, но не расходясь на расстояние, превышающее r₀. Таким образом, любое вещество в за­висимости от температуры может нахо­диться в газообразном, жидком или твер­дом агрегатном состоянии, причем темпе­ратура перехода из одного агрегатного состояния в другое зависит от значения П_min для данного вещества. Например, у инертных газов П_min мало, а у метал­лов — велико, поэтому при обычных (ком­натных) температурах они находятся со­ответственно в газообразном и твердом со­стояниях.