Твердое, жидкое, газообразное



Наука познает строение вещества. На основе этого познания люди, владеющие техникой, научились создавать новые материалы, которые не могла создать природа, причем не вообще новые материалы, а материалы с заданными свойствами. В одном случае этим свойством может быть легкость, в другом – механическая прочность, в третьем – стойкость против коррозии и т. д. Но прежде чем люди научились создавать новые материалы, они исследовали внутреннее строение вещества.

Успехи, достигнутые в этой области науки, очень велики. Но и перед будущими исследователями



остается огромное поле деятельности. Быть может, и вы, юные читатели, внесете свой вклад в науку о строении вещества.

Вы, вероятно, слышали, что вещество может быть не только в твердом, жидком и газообразном состоянии, но и в состоянии плазмы. Это уже четвертое состояние вещества. Плазмой называется ионизированный газ. В состоянии плазмы находится газ в светящихся люминесцентных трубках реклам и трубках дневного света. Вещество, из которого состоят раскаленные газообразные небесные тела (Солнце и многие другие звезды), находится в состоянии плазмы.

Но, с другой стороны, открыты звезды, поражающие

своей огромной плотностью. Вещество этих звезд состоит из атомов, лишенных электронных оболочек, т. е. из атомных ядер, и поэтому плотность такого вещества может в тысячи раз превышать плотность воды (ядра атомов по размерам в сотни тысяч раз меньше самих атомов). Это новое, видимо, еще неизвестное вам, читатели, пятое состояние вещества.

Рисунок 84 поясняет различие между твердым, жидким и газообразным состоянием вещества. В газообразном состоянии (рис. 84, а) молекулы движутся, почти не испытывая притяжения друг к другу.

Сталкиваясь между собой несколько миллиардов раз в секунду, они меняют направление движения. В жидкости (рис. 84, б) молекулы расположены существенно более тесно, плотность жидкости больше плотности газа, а поэтому проявление сил взаимодействия между молекулами более заметно. Движение молекул жидкости затруднено. Как трудно бывает нам выбраться из густой толпы людей, так и молекуле, находящейся в тесном окружении других молекул, трудно вырваться из ограниченного пространства.

Возникнет случайное разрежение по соседству – молекула проникнет в него, но только для того, чтобы попасть в окружение других молекул и метаться среди них до тех пор, пока не появится новое разрежение.

движение молекул в газе, жидкости, твердом веществе

В твердых телах (рис. 84, в) силы взаимодействия между молекулами так велики, что энергии движения молекул недостаточно, чтобы преодолеть притяжение соседних молекул. Поэтому молекулы вынуждены совершать колебательное движение.

Подобно тому как маятник периодически возвращается к положению равновесия, так и молекулы твердого тела колеблются около некоторых центров.

Могут ли молекулы, между которыми действуют силы взаимного притяжения, сблизиться до полного соприкосновения? Чтобы ответить на этот вопрос, надо вспомнить, что молекула не твердый шарик. Она состоит из атомов, а атомы в свою очередь устроены довольно сложно. Вокруг положительно заряженного ядра атома обращаются отрицательно заряженные электроны; в простейшем случае – один (атом водорода), а в сложных – свыше ста. Сила притяжения между противоположно заряженными частицами удерживает электроны на орбите.

Электронная оболочка является барьером, преграждающим доступ во внутренний мир атома, и преодолеть его очень трудно.

Поскольку одноименные электрические заряды отталкиваются, то вещество не может слиться в сплошную массу.

Силы притяжения и отталкивания зависят от расстояния между частицами. Эти силы действуют одновременно.

На некотором расстоянии r0 указанные силы уравновешиваются. Если бы не было теплового движения, то между молекулами все время сохранялось бы это расстояние. При сближении частиц силы отталкивания возрастают быстрее, чем силы притяжения. При удалении частиц на расстояние больше, чем r0, начинают преобладать силы притяжения.

На расстоянии r0 частицы находятся в состоянии устойчивого равновесия.

Зная, как распределяются силы взаимодействия, можно построить график потенциальной энергии частиц (рис. 85). В состоянии устойчивого равновесия частицы обладают минимумом потенциальной энергии (на графике – наибольшая глубина впадины).

график потенциальной энергии частица

При изменении расстояния между частицами вещества происходят превращения энергии. При уменьшении расстояния между частицами нарушается устойчивое равновесие, при этом производится работа против сил отталкивания, что приводит к уменьшению кинетической энергии частиц до нуля. Так что собственно “удара” одной частицы о другую, подобного удару бильярдных шаров, не происходит, хотя мы и говорим о “столкновении частиц вещества”.

Мы рассказывали обо всем этом для того, чтобы помочь нашим читателям избавиться от часто допускаемой ошибки – представлять себе молекулы в виде маленьких сплошных шариков. Молекулы имеют сложное строение. Не представляет собой сплошного вещества и атом.

Нельзя считать сплошным и ядро.

Если бы ядро было сплошным, то кубик в 1 см3, изготовленный из ядерного вещества, весил бы несколько миллионов тонн. В окружающем нас мире нет таких ядер. Но в глубинах вселенной астрономы обнаружили очень тяжелые звезды. Атомы вещества, из которого состоят эти звезды, лишены электронно оболочки, поэтому плотность этого вещества исключительно велика.

Так, например, плотность звезды Сириус B равна 300000 г/см3, стакан такого вещества имел бы массу 60 т. Звезда Ван-Манена состоит из вещества, плотность которого в 400000 раз больше плотности воды. Анализ сил притяжения и отталкивания позволяет также ответить на вопрос, почему твердые тела при нагревании расширяются. Объяснение, справедливое для газов, объем которых (при неизменном давлении) зависит от температуры, не годится.

Встречающееся иногда простое объяснение, в основе которого лежит предположение, что причиной является увеличение размаха колебаний молекул при нагревании твердого тела, тоже бессильно разъяснить его расширение: ведь как бы ни были велики размахи колебаний двух частиц около двух центров, это не изменит расстояния между самими центрами.

почему тела расширяются при нагревании

Для объяснения расширения тела при нагревании обратимся к рисунку 86. Здесь изображен уже знакомый читателю график потенциальной энергии двух взаимодействующих молекул. Рассмотрим два случая, отвечающие разным температурам тела. При более низкой температуре молекула совершает колебания около точки A в пределах отрезка A1A2.

Среднее расстояние между взаимодействующими молекулами (вторую молекулу мы мысленно поместили в начало координат) есть в данном случае r0. При более высокой температуре энергия колебаний повышается; теперь молекула колеблется в пределах отрезка B1B2. Положению равновесия теперь соответствует середина отрезка B1B2, т. е. точка B; среднее расстояние между взаимодействующими молекулами оказывается равным r1 > r0.

Таким образом, с повышением температуры среднее (равновесное) расстояние между молекулами увеличивается, чем и объясняется расширение тела при нагревании.

Читатель может заметить, что вода при нагревании от 0 до 4°C ведет себя иначе – она не расширяется, а, напротив, сжимается. Эта особенность воды связана с уплотнением ее молекулярной структуры, проявляющимся в указанном диапазоне температур, и требует отдельного рассмотрения.



Твердое, жидкое, газообразное