Сили і потенційна енергія міжмолекулярної взаємодії

27.07.2015

Сили і потенційна енергія міжмолекулярної взаємодії

Модель ідеального газу, що використовується в молекулярно-кінетичної теорії газів, дозволяє описувати поведінку розріджених реальних газів при досить високих температурах і низьких тисках. При виведенні рівняння стану ідеального газу розмірами молекул і їх взаємодією один з одним нехтують. Підвищення тиску приводить до зменшення середньої відстані між молекулами, тому необхідно враховувати об’єм молекул і взаємодія між ними. Ta до 1 м 3 газу при нормальних умовах міститься 2,68 — 10 25 молекул, які займають об’єм приблизно 10 -4 м 3 (радіус молекули приблизно 10 -10 м), яким порівняно з обсягом газу (1 м 3 ) можна знехтувати. При тиску 500 МПа (1 атм = 101,3 кПа) об’єм молекул складе вже половину всього обсягу газу. Таким чином, при високих тисках і низьких температурах зазначена модель ідеального газу непридатна.

При розглядіреальних газів — газів, властивості яких залежать від взаємодії молекул, треба враховуватисили міжмолекулярної взаємодії. На відстанях r > 10 -9 м міжмолекулярні сили взаємодії практично відсутні (F ® 0).

Елементарна робота d A сили F при збільшенні відстані між молекулами на dr відбувається за рахунок зменшення взаємної потенційної енергії молекул, тобто

Сили і потенційна енергія міжмолекулярної взаємодії
(60.1)

З аналізу якісної залежності потенційної енергії взаємодії молекул від відстані між ними (рис. 88, б) випливає, що якщо молекули знаходяться один від одного на відстані, на якому міжмолекулярні сили взаємодії не діють (r ®¥ ), то П=0. При поступовому зближенні молекул між ними з’являються сили тяжіння (F <0), які здійснюють позитивну роботу (d A = F dr > 0). Тоді, згідно (60.1), потенційна енергія взаємодії зменшується, досягаючи мінімуму при r =r 0. При r 0) різко зростають і вчиняє проти них робота негативна (d A = F dr <0). Потенційна енергія теж починає різко зростати і стає позитивною. З цієї потенційної кривої випливає, що система з двох взаємодіючих молекул у стані стійкої рівноваги (r =r 0 ) володіє мінімальною потенційною енергією.

Критерієм різних агрегатних станів речовини є співвідношення між величинами Пmin і kT. Пmin — найменша потенційна енергія взаємодії молекул — визначає роботу, яку потрібно зробити проти сил тяжіння для того, щоб роз’єднати молекули, що знаходяться в рівновазі (r =r 0 ); kT визначає подвоєну середню енергію, що припадає на одну ступінь свободи хаотичного (теплового) руху молекул.

Якщо Пmin <>kT. речовина знаходиться в твердому стані, так як молекули, притягуючись один до одного, не можуть піти на значні відстані і коливаються біля положень рівноваги, що визначається відстанню r 0. Якщо Пmin » kT. речовина знаходиться в рідкому стані, так як в результаті теплового руху молекули переміщаються в просторі, обмінюючись місцями, але не розходячись на відстань, що перевищує r 0 .

Таким чином, будь-яка речовина в залежності від температури може знаходитися в газоподібному, рідкому або твердому агрегатному стані, причому температура переходу з одного агрегатного стану в інше залежить від значення Пmin. для даної речовини. Наприклад, у інертних газів Пmin мало, а у металів велике, тому при звичайних (кімнатних) температурах вони знаходяться відповідно в газоподібному і твердому станах.

Короткий опис статті: потенційна енергія

Джерело: Сили і потенційна енергія міжмолекулярної взаємодії

Також ви можете прочитати