Агрегатные состояния

Каждое вещество может находиться в одном из трех агрегат­ных состояний: твердом, жидком или газообразном. Различ­ные агрегатные состояния называются также фазами вещества. Агрегатное состояние, в котором находится вещество, опреде­ляется соотношением кинетической и потенциальной энергий его молекул.

Рассмотрим силу взаимодействия F двух молекул как функ­цию расстояния R между ними (см. рис. 1). Видно, что при­тяжение, преобладающее на больших расстояниях (F < 0), при

сближении молекул сменяется отталкиванием (F > 0). Значе­ние R = R_o, при котором сила взаимодействия равна нулю, на­зывается равновесным расстоянием: таково было бы среднее расстояние между молекулами, если бы они не двигались.

На том же рисунке изображена зависимость потенциальной энергии взаимодействия молекул U(R).

Эта кривая имеет минимум в точке R = R_o. Глубина его U_o = U(R_o) называется энергией связи.

Средняя кинетическая энергия молекул газа W значительно больше энергии связи U_o. Говоря другими словами, молеку­лы газа очень слабо взаимодействуют друг с другом. Поэто­му поведение газов хорошо описывается в рамках молекулярно-кинетической теории, где таким взаимодействием вовсе прене­брегают. Молекулы газа летают почти свободно, и газ занима­ет весь предоставленный ему объем.

В жидкости молекулы взаимодействуют гораздо сильнее, и расстояния между ними значительно меньше, чем в газе (ки­нетическая энергия W сравнима с потенциальной). Молекулы жидкости находятся, в основном, вблизи своих положений рав­новесия и лишь изредка переходят в другие места. Поэтому плотность жидкости значительно больше, а сжимаемость очень мала. Жидкость сохраняет свой объем, но не форму.

Наконец, в твердом теле частицы связаны так сильно, что оно сохраняет не только свой объем, но и форму (если, конечно, напряжения в образце не превышают предел упругости данного материала). Частицы совершают малые колебания вблизи сво­их положений равновесия, крайне редко покидая их. Положе­ния равновесия частиц твердого тела образуют упорядоченную структуру, носящую название кристаллической, а сами твердые тела называются кристаллами (см. далее).

Впрочем, существуют тела (например, стекло), на первый взгляд твердые, то есть, сохраняющие форму. Однако более подробный анализ показывает, что они лишены кристалличе­ской структуры. В частности, у них совершенно отличная от кристаллов диаграмма плавления. Такие вещества называются аморфными. По существу это переохлажденная жидкость, на­столько густая, что она полностью потеряла текучесть. С тече­нием времени аморфные тела кристаллизуются — в них появля­ются кристаллические фрагменты. В этом, например, причина помутнения стекол в окнах старых домов.