Властивості газів, рідин, твердих тіл

Цей урок присвячений вивченню властивостей газів, рідин, твердих тіл. На початку уроку ми згадаємо, як взаємодіють частинки речовини, а далі розглянемо особливості кожного агрегатного стану в окремо. В кінці уроку ми дізнаємося про аморфному стані - проміжному стані між твердими і рідкими тілами.

Наши партнеры ArtmMisto

Всі тіла складаються з атомів або молекул (частки речовини), які безладно рухаються, а також взаємодіють з силами тяжіння і відштовхування. Саме відмінностями в тепловому русі цих частинок, а також їх взаємодією при різних умовах обумовлюється факт існування у речовини декількох агрегатних станів: газоподібне, рідке, тверде. Особливостям цих станів присвячений цей урок.

Атом складається з позитивно зарядженого ядра і негативно заряджених електронів, які обертаються навколо ядра. Атом, як і молекула, електрично нейтральний.

Розглянемо силу взаємодії між частинками на прикладі двох нерухомих молекул.

Між тілами в природі існують гравітаційні і електромагнітні сили. Так як маси молекул вкрай малі, то сили гравітаційної взаємодії між ними можна не розглядати. На великих відстанях електромагнітної взаємодії між молекулами теж немає.

При зменшенні відстані між частинками (див. Рис. 1) вони починають орієнтуватися так, що їх звернені один до одного боку матимуть різні за знаком заряди (в цілому молекули залишаються при цьому нейтральними), і, в підсумку, між молекулами виникають сили тяжіння (максимальна сила тяжіння на відстані 2-3 діаметрів молекули). При зменшенні відстані між молекулами виникають сили відштовхування як результат взаємодії негативно заряджених електронних оболонок атомів молекул. Отже, на молекулу діє сума сил: тяжіння і відштовхування (на великих відстанях переважає сила тяжіння, на малих - сила відштовхування).

Мал. 1. Взаємодія між молекулами

На малюнку 2 зображений графік залежності сили взаємодії між молекулами від відстані між ними. Червоною лінією показана сила тяжіння, синьою лінією - сила відштовхування, зеленої лінією - підсумковий графік сил. величина - це таке відстань між молекулами, на якому сили тяжіння стають рівними силам відштовхування (положення стійкої рівноваги).

Мал. 2. Графік залежності сили взаємодії між молекулами в залежності від відстані між ними

Знаходяться на відстані один від одного і пов'язані електромагнітними силами молекули володіють потенційною енергією. У положенні стійкої рівноваги потенційна енергія молекул мінімальна. У речовині кожна молекула взаємодіє одночасно з багатьма сусідніми молекулами, що також впливає на величину їх мінімальної потенційної енергії. Крім того, всі молекули речовини знаходяться в безперервному русі, тобто мають кінетичної енергією. Таким чином, структура речовини і його властивості (твердих, рідких, газоподібних тіл) визначається співвідношенням між мінімальною потенційною енергією взаємодії молекул і їх запасом кінетичної енергії теплового руху.

Середня відстань між частинками газу набагато перевищує розміри самих частинок, таким чином, в проміжках між зіткненнями частки газу проходять відстані, на кілька порядків перевищують власні розміри. Наприклад, в повітрі (при нормальних умовах) довжина вільного пробігу молекули становить , Що в тисячу разів більше середнього розміру молекули.

При таких великих відстанях між молекулами сили міжмолекулярної взаємодії між ними дуже малі. З енергетичної точки зору це означає, що потенційною енергією взаємодії молекул (в порівнянні з кінетичної енергією їх руху) можна знехтувати.

Якщо розглядати кінетичну енергію, тобто рух молекул газу, то варто відзначити, що кожна з них бере участь не тільки в поступальному, але і в обертальному русі (якщо це не одноатомний газ), а якщо враховувати дуже мале взаємодія молекул газу, то ці молекули братимуть участь і в коливальному русі (див. Рис. 3).

Мал. 3. Види рухів молекул

Таким чином, будь-яка молекула газу, не відчуваючи сильного взаємодії з сусідніми, може виявитися в довільному місці судини в будь-який момент часу, тому говорять, що гази не зберігають ні форму, ні обсяг. Така властивість газів широко використовується в сучасній техніці (пневматичне обладнання, теплові двигуни і т. Д.).

Тверді тіла є повною протилежністю газам. У них не відбувається вільного пересування частинок. Молекули знаходяться в вузлах кристалічної решітки (див. Рис. 4). Тобто існує строгий періодичний порядок в розташуванні частинок, складових тверде тіло.

Мал. 4. Кристалічні ґрати NaCl (кухонна сіль)

У твердих тілах потенційна енергія взаємодії дуже істотна, кінетична енергія, в порівнянні з потенційною, не велика. Атоми, молекули або іони роблять лише коливальні рухи біля положення рівноваги. Відстані між сусідніми частинками приблизно рівні розмірам самих частинок.

Види кристалічних решіток відрізняються в залежності від речовини (головне - це періодичність і порядок). Точки простору, в яких знаходяться частинки твердого тіла, називаються вузлами кристалічної решітки.

Через стабільності і порядку в розташуванні частинок у вузлах кристалічної решітки, фізики говорять, що тверді тіла володіють дальнім і ближнім порядками в розташуванні частинок речовини (див. Далі).

Тверді тіла зберігають форму і обсяг (для прикладу, якщо піддати пружинку деформації, вона повернеться до попередньої форми, не змінивши при цьому обсяг).

Кожну молекулу рідини, хоча вони не налаштовані так строго і впорядковано, як в твердому тілі, оточує однакове число молекул- «сусідок» (див. Рис. 5). Але якщо подивитися на молекули рідини здалеку, то ні про який порядок в рідини мова йти не може, будемо спостерігати хаос. Тому кажуть, що в твердих тілах є ближній порядок і дальній порядок, а в рідині тільки ближній порядок. В газоподібних тілах відсутні і ближній, і далекий порядок.

Мал. 5. Далекий і близький порядок в розташуванні частинок речовини

Рідини, на відміну від твердих тіл, мають ближнім порядком в розташуванні частинок речовини.

Частинки в рідких тілах «упаковані» щільно і, як в твердих тілах, здійснюють коливання біля положення рівноваги. Спроба стиснути рідину швидко призводить до деформації молекул і зустрічає потужний опір з боку рідини. Тобто рідини практично не стискувані.

Хоча молекули рідини розташовані майже так само, як в твердому тілі, рідина має плинністю. Це пояснюється тим, що, на відміну від твердого тіла, коливання молекул біля положення рівноваги в рідині не вічні, в якийсь момент часу молекула здійснює «стрибок», переходячи в інше положення. Отже, рідина добре зберігає об'єм, але не зберігає форму.

З енергетичної точки зору рідина займає проміжне положення між твердим тілом і газом - частинки рідини володіють істотною на мікроскопічному рівні, як кінетичну енергію руху, так і потенційної енергією взаємодії.

Аморфний стан тіла називають проміжним між твердим і рідким. Прикладом такої речовини є пластилін, смола, скло.

Молекули в аморфних речовинах розташовані подібно до молекул в рідині, тобто мають ближнім порядком, але не володіють дальнім порядком.

Можна з певною часткою умовності назвати аморфні тіла дуже в'язкими рідинами. Переконатися в цьому можна, якщо подивитися на профіль шибок в старовинних замках. Вгорі ці скла набагато вужче, ніж внизу - скло за багато років «стікає» вниз (див. Рис. 6), при цьому не змінюючи свого внутрішньої будови. Адже, наприклад, льодовики також можуть стікати вниз. Але це пов'язано з таненням льодовика і подальшої кристалізацією води.

Мал. 6. Профіль віконного скла в старовинному замку

У твердих тілах частинки мають істотну потенційну енергію і відносно невеликий кінетичної енергією, так як вони здійснюють коливальні рухи поблизу положення рівноваги.

Проміжне становище займають рідини, так як частинки рідини володіють істотною як кінетичну енергію руху, так і потенційної енергією взаємодії, а в газах молекули володіють велику кінетичну енергію руху і порівняно малої (пренебрежимо малої) потенційної енергією взаємодії.

Список літератури

1. Г.Я. Мякішев, Б.Б. Буховцев, М.М. Соцький. Фізика 10. - М .: Просвещение, 2008.
2. Генденштейн Л.Е., Дік Ю.І. Фізика 10 клас. - М .: Ілекса, 2005.
3. Касьянов В.А. Фізика 10 клас. - М .: Дрофа, 2010 року.

Додаткові рекомендовані посилання на ресурси мережі Інтернет

1. Class-fizika.spb.ru ( джерело ).
2. Kaf-fiz-1586.narod.ru ( джерело ).
3. презентація ( джерело ).

Домашнє завдання

1. Питання (1-4) в кінці параграфа 47 (стор. 229); Касьянов В.А. Фізика 10 клас (див. Список рекомендованої літератури) ( джерело ).
2. Чим відрізняються траєкторії руху молекул газу, рідини та твердого тіла?
3. При сильному охолодженні повітря його можна зробити рідким. При цьому обсяг, який займає повітря, зменшується майже в 700 разів. Зробіть висновок з цього факту: яку частку обсягу газу складає обсяг самих молекул?
4. Газ здатний до необмеженого розширення. Чому існує атмосфера Землі?