МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА

Множество опытных фактов приводят к заключению, что между мо-лекулами вещества, находящемся в любом агрегатном состоянии, дейст-вуют одновременно как силы притяжения, так и силы отталкивания. Так, например, способность твердых тел оказывать сопротивление растяже-нию свидетельствует о наличии сил притяжения между молекулами; су-ществование же сил отталкивания объясняет малую сжимаемость твер-дых и жидких тел, а также сильно уплотненных газов. Очень важно, что эти силы должны действовать одновременно. В противном случае тело не было бы устойчиво: образующие его молекулы разлетались бы в раз-ные стороны (при наличии только сил отталкивания), создавая вещества сверхнизкой плотности, или слипались бы в сверхплотные агрегаты (при существовании только сил притяжения).

Силы, действующие между молекулами, по своей природе являются силами электромагнитного происхождения. Молекула состоит из поло-жительно заряженных ядер атомов, составляющих молекулу, и отрицательно заряженных электронных оболочек атомов. Поэтому при взаимодействии молекул одновременно действуют как силы притяжения их разноименных зарядов, так и силы отталкивания одноименных. И те, и другие с увеличением расстояния между молекулами быстро уменьшаются. Однако убывание сил отталкивания должно быть более быстрым, чем сил притяжения, в результате чего силы отталкивания будут преобладать на малых расстояниях между молекулами, а силы притяжения – на более дальних расстояниях. Последнее утверждение следует из необ-ходимости существования устойчивого равновесия взаимодействующих молекул. В самом деле, предположим, что две взаимодействующие мо-лекулы находятся в равновесии, т. е. сумма сил, действующих на каж-дую молекулу равна нулю.

В термодинамическом методе исследования вещества, в отличие от статистического, не вводятся в рассмотрение какие-либо модельные представления об атомно-молекулярном строении тела, а ставится своей задачей установление зависимости между непосредственно наблюдаемыми макроскопическими (измеряемыми в опыте) величинами, такими как давление, температура, объем, концентрация, напряженность электрического или магнитного поля и т. п. Термодинамика как теоретическая дисциплина строится на трех фундаментальных законах (началах), установленных на основании огромного опытного знания, относящегося к поведению макроскопических систем. Выводы термодинамики имеют весьма общий характер, независимый от выбора гипотетической модели структуры вещества, независимо от характера движения молекул, взаимодействия между ними. Результаты, получаемые в статистической теории, существенным образом зависят от выбора этой гипотетической модели. Недостатком термодинамического метода является невозможность с помощью его вскрыть молекулярную сущность изучаемых явлений.

рис. 1

На рис. 1, а изображены две молекулы, находящиеся на расстоянии, когда силы отталкивания F₁ уравновешивают силы взаимного притяжения F2. Пусть расстояние между молекулами уменьшилось (рис. 1, б). Если при этом силы отталкивания возрастают быстрее, чем силы притяжения, то F₁ будет больше F₂, и молекулы будут отталкиваться обратно к положениям равновесия. Если же расстояние между ними будет больше равновесного (рис. 1, в) и F₁ станет меньше F₂, то молекулы опять будут стремиться к положению равновесия.

Таким образом, доказано, что с точки зрения устойчивости силы отталкивания должны быстрее убывать с увеличением расстояния, чем силы притяжения. На расстояниях между молекулами значительно больше их диаметра (рис. 1, г) они практически не взаимодействуют, так как вращающиеся вокруг ядер электроны полностью компенсируют заряды этих ядер и молекулы в целом нейтральны. При сближении молекул (рис. 1, д) начинает постепенно проявляться взаимодействие электрических зарядов ядер и электронных оболочек молекул. Это происходит из-за притяжения разноименных и отталкивания одноименных зарядов. В результате возникает небольшая деформация (поляризация) обеих взаимодействующих молекул (рис. 1, д), которая приводит к возникновению сил притяжения между молекулами. При дальнейшем сближении поляризация молекул и величина сил притяжения будут расти. Если молекулы сблизятся до такой степени, что их электронные облака начнут заметно проникать друг в друга, то электроны и ядра различных молекул будут резко отталкиваться с силой, которая очень быстро возрастает с уменьшением расстояния между молекулами. На таких расстояниях будут преобладать силы отталкивания (рис. 1, е).

Абсолютная величина сил взаимодействия существенно зависит от конкретного строения молекул. Кроме того, для несферических молекул силы электрического взаимодействия зависят, очевидно, не только от расстояния между молекулами, но и от взаимной ориентации молекул. Однако общий характер зависимости силы взаимодействия от расстояния одинаков: преобладание сил притяжения на больших расстояниях и отталкивания на малых.

рис. 2

На рис. 2 приведены характерные зависимости сил отталкивания, которые в физике положительны (F₁ > 0), и сил притяжения (F₂ < 0) от расстояния r между молекулами. Как отмечалось, эти силы действуют одновременно. Поэтому для нахождения результирующей силы взаимодействия между молекулами необходимо сложить ординаты положительной и быстро падающей силы отталкивания F₁ с отрицательными ординатами медленно растущей силы притяжения F₂.

Результирующая функция F = F₁ + F₂ представлена на том же рисунке сплошной линией. Как видно, на расстояниях r0 между молекулами преобладают силы отталкивания, а при r > r₀ превалируют силы притяжения. При r = r₀ эти силы равны, т. е. r₀ – это то равновесное расстояние между молекулами, на котором они находились бы при отсутствии теплового движения, нарушающего это равновесие.