О том, что вещества могут находиться в трех агрегатных состояниях — твердом
, жидком и газообразном, вы знаете еще из курса 7-го класса. Иногда говорят еще и о четвертом агрегатном состоянии — плазме, но мы рассмотрим только первые три. Любое вещество может находиться в любом агрегатном состоянии в зависимости от его температуры и давления. Но для каждого вещества есть свой интервал температур и давлений, при которых оно находится в том или ином агрегатном состоянии. В этом параграфе мы и должны разобраться в причинах, по которым с изменением температуры вещество переходит в другое агрегатное состояние.
Из курса 8-го класса и еще подробнее из курса химии вы знаете, что атом состоит из электрически положительно заряженного ядра и обращающихся вокруг ядра отрицательно заряженных электронов, причем суммарный заряд электронов численно равен заряду ядра и атом в целом электронейтрален. Молекула, состоящая из одного или нескольких атомов, тоже электронейтральна. Рассмотрим взаимодействие двух молекул. Если они находятся на относительно больших расстояниях друг от друга, то практически взаимодействия между ними нет, они электронейтральны, массы же их так малы, что силы гравитационного взаимодействия нет смысла рассматривать и на очень малых расстояниях. При уменьшении расстояния между молекулами, в зависимости от типа молекул, они или ориентируются друг относительно друга таким образом, что обращенные друг к другу стороны молекул имеют различные по знаку заряды (в целом молекула остается электронейтральной), или таким же образом несколько изменяется форма электронных оболочек атомов, между молекулами возникает сила притяжения, причем очень быстро возрастающая с уменьшением расстояния — Fnp - г 7 \ Эти силы начинают проявляться на расстояниях порядка 2—3 эффективных диаметров. При дальнейшем сближении молекул возникнут силы отталкивания, обусловленные взаимодействием электронных оболочек. Эти силы еще больше зависят от расстояния — FOT ~ /~13. Очевидно, что найдется такая точка, в которой силы притяжения и отталкивания численно равны. На рис. 36а изображен график зависимости силы взаимодействия между молекулами от расстояния. Сила притяжения отрицательна, сила отталкивания положительна. На графике рис. 366 изображена результирующая обеих сил и в точке Го результирующая равна нулю. В табл. 11 приведены значения сил притяжения и отталкивания в зависимости от расстояния для молекул азота и значение их алгебраической суммы. Там же приведены значения энергии взаимодействия молекул азота, определяемой как их притяжением, так и отталкиванием, и значения полной потенциальной энергии. Из таблицы видно, что обе силы очень быстро убывают с расстоянием, причем силы отталкивания убывают гораздо быстрее. На расстоянии го обе силы численно равны и этому расстоянию соответствует минимум потенциальной энергии, т. е. устойчивое равновесие.
На первый взгляд, силы, действующие между молекулами, исчезающее малы. Сила отталкивания на расстоянии 2 • 10"10 м всего 5 • Ю-7 Н. Но если мы вспомним, что молекулы азота составляет 4,7-10 кг, то легко найдем, что на этом расстоянии друг от друга между ними возникает сила, вызывающая ускорение 1,1 • 1019 м/с2. Ни одно макроскопическое тело, каким бы прочным оно не было, не выдержит таких перегрузок, а молекулы выдерживают. Можно сказать, что молекулы на много порядков прочнее, а лучше сказать, устойчивее самых прочных твердых тел. В жидком состоянии молекулы довольно прочно связаны друг с другом, не могут свободно, как молекулы газа, перемещаться по всему объему, и отсюда важнейшее свойство жидкостей — сохранять неизменным свой объем. Отсюда и другое свойство жидкостей — несжимаемость. Действительно, газ сжать легко, потому что расстояние между молекулами велико, силы взаимодействия пренебрежимо малы. В жидкости средние расстояния между молекулами порядка размеров самих молекул и всякое, даже очень небольшое изменение расстояния, вызывает быстро возрастающие с уменьшением расстояния силы отталкивания. Итак, если кинетическая энергия движения молекул существенно больше глубины потенциальной ямы, вещество находится в газообразном состоянии, если эти энергии сопоставимы, то вещество находится в жидком состоянии. В жидком, но еще не в твердом. В жидкостях, да и в твердых телах, также как и в газах, молекулы распределены по скоростям по закону Максвелла, значит всегда есть молекулы, причем много молекул, скорости которых превышают среднюю квадратичную, а, следовательно, и энергия их может оказаться больше глубины потенциальной ямы.
Такая молекула может покинуть свое место, но через некоторое время, потеряв при столкновениях часть энергии, будет «поймана» другими молекулами и некоторое время будет колебаться около положения равновесия. В жидкости возможны переходы молекул с места на место. Этим объясняется текучесть жидкости, ее неспособность сохранять определенную форму. В следующих параграфах мы подробно рассмотрим процессы взаимного превращения жидкостей и газов. Здесь же лишь укажем, что вещество находится в жидком или газообразном состоянии в зависимости от температуры и давления. Температурный диапазон перехода из газообразного состояния в жидкое очень велик, при атмосферном давлении он колеблется от — 269 °С для гелия (4 К) до 5680 °С для вольфрама (5953 К). Поскольку кинетическая энергия молекул пропорциональна kT, то и глубина потенциальной ямы для разных веществ отличается также, как и температура перехода — на 4 порядка.