Строение газа жидкости и твердых тел. Свойства и строение газообразных, жидких и твердых тел

Главная

Болезни

Строение газов, жидкостей и твердых тел.

Основные положения молекулярно-кинетической теории :

все вещества состоят из молекул, а молекулы из атомов,

атомы и молекулы находятся в постоянном движении,

между молекулами существуют силы притяжения и отталкивания.

В газах молекулы двигаются хаотически, расстояния между молекулами большие, молекулярные силы малы, газ занимает весь предоставленный ему объем.

В жидкостях молекулы располагаются упорядочно только на малых расстояниях, а на больших расстояниях порядок (симметрия) расположения нарушается – “ближний порядок”. Силы молекулярного притяжения удерживают молекулы на близком расстоянии. Движение молекул – “перескоки ” из одного устойчивого положения в другое (как правило, в пределах одного слоя. Таким движением объясняется текучесть жидкости. Жидкость не имеет форму, но имеет объем.

Твердые тела – вещества, которые сохраняют форму, делятся на кристаллические и аморфные. Кристаллические твердые тела имеют кристаллическую решетку, в узлах которой могут находиться ионы, молекулы или атомы Они совершают колебания относительно устойчивых положений равновесия.. Кристаллические решетки имеют правильную структуру по всему объему – “дальний порядок” расположения.

Аморфные тела сохраняют форму, но не имеют кристаллической решетки и, как следствие, не имеют ярко выраженной температуры плавления. Их называют застывшими жидкостями, так как они, как жидкости имеют “ближний ” порядок расположения молекул.

Силы взаимодействия молекул

Все молекулы вещества взаимодействуют между собой силами притяжения и отталкивания. Доказательство взаимодействия молекул: явление смачивания, сопротивление сжатию и растяжению, малая сжимаемость твердых тел и газов и др. Причина взаимодействия молекул - это электромагнитные взаимодействия заряженных частиц в веществе. Как это объяснить? Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки. Заряд ядра равен суммарному заряду всех электронов, поэтому в целом атом электрически нейтрален. Молекула, состоящая из одного или нескольких атомов, тоже электрически нейтральна. Рассмотрим взаимодействие между молекулами на примере двух неподвижных молекул. Между телами в природе могут существовать гравитационные и электромагнитные силы. Так как массы молекул крайне малы, ничтожно малые силы гравитационного взаимодействия между молекулами можно не рассматривать. На очень больших расстояниях электромагнитного взаимодействия между молекулами тоже нет. Но, при уменьшении расстояния между молекулами молекулы начинают ориентироваться так, что их обращенные друг к другу стороны будут иметь разные по знаку заряды (в целом молекулы остаются нейтральными), и между молекулами возникают силы притяжения. При еще большем уменьшении расстояния между молекулами возникают силы отталкивания, как результат взаимодействия отрицательно заряженных электронных оболочек атомов молекул. В итоге на молекулу действует сумма сил притяжения и отталкивания. На больших расстояниях преобладает сила притяжения (на расстоянии 2-3 диаметров молекулы притяжение максимально), на малых расстояниях сила отталкивания. Существует такое расстояние между молекулами, на котором силы притяжения становятся равными силам отталкивания. Такое положение молекул называется положением устойчивого равновесия. Находящиеся на расстоянии друг от друга и связанные электромагнитными силами молекулы обладают потенциальной энергией. В положении устойчивого равновесия потенциальная энергия молекул минимальна. В веществе каждая молекула взаимодействует одновременно со многими соседними молекулами, что также влияет на величину минимальной потенциальной энергии молекул. Кроме того, все молекулы вещества находятся в непрерывном движении, т.е. обладают кинетической энергией. Таким образом, структура вещества и его свойства (твердых, жидких и газообразных тел) определяются соотношением между минимальной потенциальной энергией взаимодействия молекул и запасом кинетической энергии теплового движения молекул.

Строение и свойства твердых, жидких и газообразных тел

Строение тел объясняется взаимодействием частиц тела и характером их теплового движения.

Твердое тело

Твердые тела имеют постоянную форму и объем, практически несжимаемы. Минимальная потенциальная энергия взаимодействия молекул больше кинетической энергии молекул. Сильное взаимодействие частиц. Тепловое движение молекул в твердом теле выражается только лишь колебаниями частиц (атомов, молекул) около положения устойчивого равновесия.

Из-за больших сил притяжения молекулы практически не могут менять свое положение в веществе, этим и объясняется неизменность объема и формы твердых тел. Большинство твердых тел имеет упорядоченное в пространстве расположение частиц, которые образуют правильную кристаллическую решетку. Частицы вещества (атомы, молекулы, ионы) расположены в вершинах - узлах кристаллической решетки. Узлы кристаллической решетки совпадают с положением устойчивого равновесия частиц. Такие твердые тела называются кристаллическими.

Жидкость

Жидкости имеют определенный объем, но не имеют своей формы, они принимают форму сосуда, в которой находятся. Минимальная потенциальная энергия взаимодействия молекул сравнима с кинетической энергией молекул. Слабое взаимодействие частиц. Тепловое движение молекул в жидкости выражено колебаниями около положения устойчивого равновесия внутри объема, предоставленного молекуле ее соседями. Молекулы не могут свободно перемещаться по всему объему вещества, но возможны переходы молекул на соседние места. Этим объясняется текучесть жидкости, способность менять свою форму.

В жидкостях молекулы достаточно прочно связаны друг с другом силами притяжения, что объясняет неизменность объема жидкости. В жидкости расстояние между молекулами равно приблизительно диаметру молекулы. При уменьшении расстояния между молекулами (сжимании жидкости) резко увеличиваются силы отталкивания, поэтому жидкости несжимаемы. По своему строению и характеру теплового движения жидкости занимают промежуточное положение между твердыми телами и газами. Хотя разница между жидкостью и газом значительно больше, чем между жидкостью и твердым телом. Например, при плавлении или кристаллизации объем тела изменяется во много раз меньше, чем при испарении или конденсации.

Газы не имеют постоянного объема и занимают весь объем сосуда, в котором они находятся. Минимальная потенциальная энергия взаимодействия молекул меньше кинетической энергии молекул. Частицы вещества практически не взаимодействуют. Газы характеризуются полной беспорядочностью расположения и движения молекул.

Расстояние между молекулами газа во много раз больше размеров молекул. Малые силы притяжения не могут удержать молекулы друг около друга, поэтому газы могут неограниченно расширяться. Газы легко сжимаются под действием внешнего давления, т.к. расстояния между молекулами велики, а силы взаимодействия пренебрежимо малы. Давление газа на стенки сосуда создается ударами движущихся молекул газа.

Все предметы и вещи, которые окружают нас каждый день, состоят из различных веществ. При этом мы привыкли считать предметами и вещами только что-то твердое - например, стол, стул, чашку, ручку, книгу и так далее.

Три состояния вещества

А воду из-под крана или пар, идущий от горячего чая, мы за предметы и вещи как бы не считаем. Но ведь всё это также является частью физического мира, просто жидкости и газы находятся в другом состоянии вещества. Итак, существует три состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. И любое вещество может находиться в каждом из этих состояний по очереди. Если мы достанем куб льда из морозильника и будем его нагревать, то он растает и превратится в воду. Если же мы оставим конфорку включенной, то вода нагреется до 100 градусов по Цельсию и вскоре превратится в пар. Таким образом, одно и то же вещество, то есть один и тот же набор молекул, мы по очереди наблюдали в разных состояниях вещества. Но если молекулы остаются одни и те же, что же тогда меняется? Почему лед - твердый и сохраняет свою форму, вода - легко принимает форму чашки, а пар - и вовсе разлетается в разные стороны? Всё дело в молекулярном строении.

Молекулярное строение твердых тел таково, что молекулы расположены друг к другу очень близко (расстояние между молекулами намного меньше размеров самих молекул), а сдвинуть с места молекулы при таком расположении очень трудно. Поэтому твердые тела сохраняют объем и держат форму. Молекулярное строение жидкости характеризуется тем, что расстояние между молекулами приблизительно равно размеру самих молекул, то есть молекулы расположены уже не так близко, как в твердых телах. А значит, их легче двигать друг относительно друга (поэтому жидкости так легко принимают другую форму), но сила притяжения молекул все еще достаточна, чтобы молекулы не разлетались и сохраняли объем. А вот молекулярное строение газа , напротив, не позволяет газу ни держать объем, ни сохранять форму. Причина в том, что расстояние между молекулами газа намного больше размеров самих молекул, и даже малейшие силы способный разрушить эту шаткую систему.

Причина перехода вещества в другое состояние

Теперь выясним в чем же причина перехода вещества из одного состояния в другое. Например, почему лед при нагревании становится водой. Ответ прост: тепловая энергия конфорки переходит во внутреннюю энергию молекул льда. Получив эту энергию, молекулы льда начинают колебаться все быстрее и быстрее и, в конце концов, выходят из подчинения соседних молекул. Если мы выключим нагревательный прибор, то вода так и останется водой, если же оставим включенным, то вода превратится в пар по уже известной там причине.

Из-за того, что твердые тела сохраняют объем и форму, именно они у нас ассоциируются с окружающим миром. Но если мы посмотрим внимательно, то обнаружим, что газы и жидкости также занимают важную часть физического мира. Например, окружающий нас воздух состоит из смеси газов, главный из которых, азот, тоже может быть жидкостью - но для этого его надо охладить до температуры почти минус 200 градусов по Цельсию. А вот главный элемент обычной лапочки - вольфрамовую нить - можно расплавить, то есть превратить в жидкость, наоборот только при температуре 3422 градусов по Цельсию.

В двух предыдущих параграфах мы рассмотрели строение и свойства твёрдых тел – кристаллических и аморфных. Перейдём теперь к изучению строения и свойств жидкостей.

Характерным признаком жидкости является текучесть – способность изменять форму за малое время под действием даже малых сил. Благодаря этому жидкости льются струями, текут ручьями, принимают форму сосуда, в который их нальют.

Способность изменять форму у разных жидкостей выражена по-разному. Взгляните на рисунок. Под действием примерно равных сил тяжести мёду требуется больше времени, чтобы изменить свою форму, чем воде. Поэтому говорят, что эти вещества обладают неодинаковой вязкостью: у мёда она больше, чем у воды. Это объясняется неодинаково сложным строением молекул воды и мёда. Вода состоит из молекул, которые напоминают шарики с бугорками, а мёд состоит из молекул, похожих на ветви дерева. Поэтому при движении мёда «ветви» его молекул зацепляются друг за друга, придавая ему большую вязкость, чем воде.

Важно: меняя форму, жидкость сохраняет свой объём. Рассмотрим опыт (см. рисунок). Жидкость в мензурке имеет форму цилиндра и объём 300 мл. После переливания в чашу жидкость приняла плоскую форму, но сохранила прежний объём: 300 мл. Это объясняется притяжением и отталкиванием её частиц: в среднем они продолжают удерживаться на прежних расстояниях друг от друга.

Ещё одним общим свойством всех жидкостей является их подчинение закону Паскаля. В 7 классе мы узнали, что он описывает свойство жидкостей и газов передавать оказываемое на них давление во все стороны (см. § 4-в). Теперь заметим, что менее вязкие жидкости делают это быстро, а вязкие – долго.

Строение жидкостей. В молекулярно-кинетической теории считается, что в жидкостях, как и в аморфных телах, нет строгого порядка в расположении частиц, то есть они расположены не одинаково плотно. Промежутки имеют различные размеры, в том числе и такие, что туда может поместиться ещё одна частица. Это позволяет им перескакивать из «густонаселённых» мест в более свободные. Перескоки каждой частицы жидкости происходят очень часто: несколько миллиардов раз в секунду.

Если на жидкость подействует какая-нибудь внешняя сила (например, сила тяжести), движение и перескоки частиц будут происходить в основном в направлении её действия (вниз). Это приведёт к тому, что жидкость примет форму вытягивающейся капли или льющейся струи (см. рисунок). Итак, текучесть жидкостей объясняется перескоками их частиц из одного устойчивого положения в другое.

Перескоки частиц жидкостей происходят часто, однако гораздо чаще их частицы, как и в твёрдых телах, совершают колебания на одном месте, непрерывно взаимодействуя друг с другом. Поэтому даже малое сжатие жидкости приводит к резкому «ожесточению» взаимодействия частиц, что означает резкое повышение давления жидкости на стенки сосуда, в котором её сжимают. Так объясняется передача жидкостями давления, то есть закон Паскаля, и, одновременно, свойство жидкостей противостоять сжатию, то есть сохранять объём.

Заметим, что сохранение жидкостью своего объёма – это условное представление. Имеется в виду, что по сравнению с газами, которые легко сжать даже силой руки ребёнка (например, в воздушном шарике), жидкости можно считать несжимаемыми. Однако на глубине 10 км в Мировом океане вода находится под столь большим давлением, что каждый килограмм воды уменьшает свой объём на 5% – от 1 л до 950 мл. Используя большие давления, жидкости можно сжать и ещё сильнее.

Три состояния вещества

Причина перехода вещества в другое состояние

Молекулярно-кинетические представления о строении вещества объясняют всё многообразие свойств жидкостей, газов и твёрдых тел. Между частицами вещества существуют электромагнитные взаимодействия - они притягиваются и отталкиваются друг от друга с помощью электромагнитных сил. На очень больших расстояниях между молекулами эти силы ничтожно малы.

Силы взаимодействия молекул

Но картина меняется, если уменьшать расстояние между частицами. Нейтральные молекулы начинают ориентироваться в пространстве так, что их обращённые друг к другу поверхности начинают иметь противоположные по знаку заряды и между ними начинают действовать силы притяжения. Это происходит, когда расстояние между центрами молекул больше суммы их радиусов.

Если продолжать уменьшать расстояние между молекулами, то они начинают отталкиваться в результате взаимодействия одноимённо заряженных электронных оболочек. Это происходит, когда сумма радиусов взаимодействующих молекул больше расстояния между центрами частиц.

То есть на больших межмолекулярных расстояниях преобладает притяжение, а на близких - отталкивание. Но существует определённое расстояние между частицами, когда они находятся в положении устойчивого равновесия (силы притяжения равны силам отталкивания). В этом положении у молекул минимальная потенциальная энергия. Молекулы также обладают кинетической энергией, так как находятся всё время в непрерывном движении.

Таким образом, прочность связей взаимодействия между частицами отличает три состояния вещества: твёрдое тело, газ и жидкость, и объясняет их свойства.

Возьмём воду в качестве примера. Размер, форма и химический состав частиц воды остаётся тем же самым, является ли она твёрдой (льдом) или газообразной (паром). Но то, как эти частицы движутся и расположены, различно для каждого состояния.

Твёрдые вещества

Твёрдые вещества сохраняют свою структуру, их можно расколоть или разбить, приложив усилие. Вы не можете пройти через стол, потому что и вы и стол являются твёрдыми. Твёрдые частицы обладают наименьшим количеством энергии из трёх традиционных состояний материи. Частицы расположены в определённой структурной последовательности с очень небольшим пространством между ними.

Они удерживаются вместе в равновесии и могут только вибрировать вокруг фиксированного положения. В связи с этим твёрдые вещества имеют высокую плотность и фиксированную форму и объем. Если оставить стол в течение нескольких дней в покое, он не расширится, и тонким слоем древесины по всему полу не заполнит комнату!

Жидкости

Так же, как в твёрдом веществе, частицы в жидкости упакованы близко друг к другу, но располагаются случайным образом. В отличие от твёрдых тел, человек может проходить через жидкость, это связано с ослаблением силы притяжения, действующей между частицами. В жидкости частицы могут перемещаться друг относительно друга.

Жидкости имеют фиксированный объём, но не имеют фиксированной формы. Они будут течь под действием гравитационных сил . Но некоторые жидкости более вязкие, чем другие. У вязкой жидкости сильнее взаимодействие между молекулами.

Молекулы жидкости обладают гораздо большей кинетической энергией (энергией движения), чем твёрдое тело, но гораздо меньше, чем газ.

Газы

Частицы в газах находятся далеко друг от друга и расположены случайным образом. Это состояние материи имеет самую высокую кинетическую энергию, так как между частицами практически отсутствуют силы притяжения.

Молекулы газов находятся в постоянном движении во всех направлениях (но только по прямой линии), сталкиваются друг с другом, и со стенками сосуда, в котором находятся, - это вызывает давление.

Газы также расширяются, чтобы полностью заполнить объём сосуда, независимо от его размера или формы - газы не имеют фиксированной формы или объёма.

Разделы