Силы межмолекулярного взаимодействия

Модель идеального газа позволяет описывать поведение реальных газов только при низких давлениях и высоких температурах. Понижение температуры и повышение давления приводит к уменьшению среднего расстояния между молекулами и поэтому в этом случае необходимо учитывать объем молекул и взаимодействие между ними.

1.Объем молекул. В 1 м³ газа при нормальных условиях находится 2.68^.10²⁵ молекул, занимающих объем 10^-4 м³ (радиус одной молекулы 10^-10 м) - т.е. объемом молекул по сравнению с объемом газа можно пренебречь. Однако, например, при давлении 500 Мпа (1 атм=101.3 кПа) объем молекул составляет половину объема всего газа и пренебречь объемом молекул уже нельзя.

F F_o

F

r

F_п Рис.1.

W_p

r_o

r

2.Между молекулами вещества существуют короткодействующие силы притяжения F_п (они считаются отрицательными) и силы отталкивания F_o (они считаются положительными). На рис.1 эти силы показаны вместе с равнодействующей F- видно, что при расстоянии между молекулами r = r_o результирующая сила F = 0; расстояние r_o отвечает равновесному расстоянию, на котором они находились бы в отсутствии теплового движения. При r < r_o преобладают силы отталкивания, при r > r_o преобладают силы притяжения. На расстояниях r > 10^-9 м межмолекулярные силы практически отсутствуют (F = 0).

Когда молекулы находятся далеко друг от друга (r >> r_o), то они не взаимодействуют между собой и потенциальная энергия взаимодействия молекул W_p = 0 (рис.1). При постепенном сближении молекул между ними появляются силы притяжения (F < 0), которые совершают положительную работу dA = Fdr >0 и потенциальная энергия взаимодействия молекул W_p уменьшается на величину -d_Wp = dA = Fdr. При r = r_o потенциальная энергия W_p достигает минимума, а при дальнейшем уменьшении r она начинает резко возрастать из-за появления сил отталкивания (F > 0) и становится положительной (рис.1). Таким образом, из потенциальной кривой на рис.1 следует, что система из двух взаимодействующих молекул в состоянии устойчивого равновесия (r = r_o) обладает минимальной потенциальной энергией W_pmin.

Критерием различных агрегатных состояний вещества является соотношение между величинами W_pmin и kT:

W_pmin - равна работе, которую необходимо совершить против сил притяжения для того, чтобы разъединить молекулы;

kT - равна удвоенной кинетической энергии, приходящейся на одну степень свободы теплового движения молекул.

Если W_pmin << kT, то вещество находится в газообразном состоянии, т.к. тепловое движение молекул препятствует соединению молекул.

Если W_pmin >> kT, то вещество находится в твердом состоянии, т.к. тепловое движение молекул не препятствует соединению молекул, которые находятся на расстоянии r_o и не могут двигаться в пространстве.

Если W_pmin » kT, то вещество находится в жидком состоянии, т.к. тепловое движение молекул не препятствует соединению молекул, но сами молекулы могут меняться местами друг с другом.