Взаимодействие частиц вещества вода

Взаимодействие частиц вещества. Модели газа, жидкости и твёрдого тела

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.

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.

Источник

Агрегатные состояния веществ

1. Основные положения, при помощи которых объясняется различие строения веществ в твердом, жидком и газообразном состоянии

Дети назовите вещество которое находится в трех агрегатных состояниях. Верно это вода. Которая может находиться в жидком, твёрдом и газообразном состоянии. Вода это жидкое состояние, пар газообразное состояние и лёд — твёрдое состояние. Скажите а какие положения веществ отличают одно состояние от другого. Это расположение частиц, движение частиц и взаимодействие частиц.

2. Расположение частиц в твердом состоянии, жидком и газообразном

И так, рассмотрим отличие одного состояния веществ от другого. В твёрдом состоянии частицы располагаются в строгом порядке, образуя кристалл. Частицы не имеют строгого положения в жидком состоянии. В газообразном состоянии нет строгого порядка.

3. Движение частиц в твердом, жидком и газообразном состоянии

Частицы в твердых телах совершают колебательное движение. Подобно маятнику часов. В жидкостях молекулы совершают бестолковое движение. В газообразном состоянии частицы движутся хаотично, беспорядочно, с очень большой скоростью. Она равна скорости пули из ружья. Примеры: при 20 градусах по Цельсию скорость молекулы водорода — 2000 м/с, а кислорода 1600 м/с, азота 600 м/с.

4. Взаимодействие частиц в твердом, жидком и газообразном состоянии

В твёрдом состоянии частицы взаимодействуют очень сильно между собой. Так как между частицами промежутки меньше размера одной частицы. В жидком состоянии взаимодействие слабее. Между частицами промежутки увеличиваются и равны размеру одной частицы. В газообразном состоянии взаимодействие частиц самое слабое. В промежутках между частицами можно поместить до десяти таких частиц.

5. Форма и объем которую принимают вещества в твердом, жидком и газообразном состоянии

Но кроме трёх положений агрегатные состояния характеризуются объемом и формой. В твёрдом состоянии форма неизменная. Жидкость принимает форму сосуда. И газы принимают форму сосуда. Объём твердых тел неизменный. Для изменения объема твердого тела, необходимо приложить огромные усилия. Объем жидкости изменить нельзя. Пример: возьмем свинцовый шар и заполнили его водой. Запаяли шар. Стали ударять молотом по нему, пытаясь уменьшить объем. Шар лопнул. Вода вылилась. Возникают силы отталкивания. Которые не дают возможности уменьшить объем. А в газах занимает наибольший, предоставленный объем. Примеры: возьмем медные опилки и поместим в мензурку большого объема. Нальем азотной кислоты. Закроем мензурку наполовину. Образуется бурый дым, который заполняет половину мензурки. Передвинем крышку вверх, до полного объема. Бурый дым заполняет все пространство. Это доказывает, что газы занимают наибольший предоставленный объем.

Источник

Загадки жидкостей — между газом и твердым телом

теория фазовых переходов

текст Вадим Бражкин доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, Институт физики высоких давлений РАН
иллюстрация Александр Кольцов

Обычно молчаливо предполагается, что главные проблемы современной физики лежат в области микромира (физика элементарных частиц, стандартная теория взаимодействий и т.д.), либо в области «мега-мира» (проблемы темной материи, черные дыры, модели Вселенной). Но в окружающем нас обычном макромире существуют объекты, которые до сих пор не имеют адекватного описания на микроскопическом уровне. Это обычные жидкости. Жидкость — классическое агрегатное состояние вещества — в отличие от твердых тел и газов до сих пор является источником головной боли для экспериментаторов и особенно для теоретиков. Как ни странно, с математической точки зрения причины сложности описания жидкости схожи с теми, что имеются в физике элементарных частиц или в космологии, — а именно, сильные нелинейности и отсутствие малого параметра. Для жидкостей это означает близкие значения кинетической и потенциальной энергий атомов или молекул. В кристалле преобладает потенциальная энергия взаимодействия между атомами, в газе — кинетическая.

Парадокс жидкостей заключается еще и в том, что при нормальных земных условиях они не должны существовать. Вещества с сильными межатомными взаимодействиями (ковалентное, ионное, металлическое) должны быть твердыми, со слабыми (ван-дер-ваальсовое, молекулярное) — газами. Не случайно среди более чем сотни элементарных веществ в жидком состоянии при нормальных условиях находятся всего два — ртуть и бром. Обратная сторона этого парадокса состоит в том, что повсюду, в том числе в быту, нас окружает огромное количество жидкостей (уже не элементарных). Из них исключительную роль играет вода.

Жидкость теоретиков и жидкость экспериментаторов

Теоретическое описание жидкостей стартует, как правило, с газового состояния, а потом плавно «включается» взаимодействие частиц. В пользу такого «газового» подхода говорят текучесть жидкостей, их малая вязкость, отсутствие сдвиговой жесткости, кажущаяся бесструктурность жидкости, непрерывный переход в закритической области. «Маленький» минус такого описания состоит в том, что энергия взаимодействия частиц, рассматриваемая как слабое возмущение на фоне «главной» кинетической энергии, на самом деле в несколько раз ее превышает.

В то же время, с точки зрения экспериментаторов, жидкость вблизи температуры плавления имеет много черт, роднящих ее с твердым телом. Это прежде всего малые скачки большинства характеристик при плавлении, несмотря на потерю дальнего порядка. Жидкость имеет почти твердотельные значения плотности, теплоемкости и многих других свойств. Непрерывный переход в твердое стекло при охлаждении многих жидкостей также свидетельствует о родстве жидкого и твердого состояний.

Прогресс в теоретическом описании жидкостей за последние 100 лет оказался весьма скромным. Исходя из потенциала взаимодействия атомов (молекул) жидкости, можно описать плотный газ и окрестность критической точки. Теория может также предсказать структуру простых жидкостей типа аргона (она похожа на хаотическую плотную упаковку шаров), однако структуру более сложных жидкостей — расплавов металлов, молекулярных и ковалентных жидкостей — описать не удается. Еще хуже обстоит дело с описанием микроскопической динамики (то есть движения частиц в жидкостях) и коротковолновых возбуждений, а также с количественными предсказаниями теплоемкости и многих других свойств.

Получается, что параллельно существовало как бы два разных класса жидкостей — «жидкости для теоретиков», похожие на плотный газ, и «жидкости для экспериментаторов», похожие на твердое тело.

Ни сильная, ни слабая

Жидкий беспорядок и жидкий порядок

В последние десятилетия физики подвергли сомнению такую основную газоподобную черту жидкости, как ее бесструктурность. Было установлено, что в жидкостях наблюдается некий «мотив» в местонахождении соседних частиц — так называемая структура ближнего и промежуточного порядка. Рассмотрим, например, расплавленное железо и молекулярный жидкий азот. Это жидкости с совершенно разными свойствами и структурами, при изменении давления и температуры их поведение, конечно, тоже должно отличаться. Во многих кристаллах при изменении физических условий происходят фазовые переходы. Известно, например, что графит под давлением превращается в алмаз. И это скорее правило, чем исключение: почти все кристаллы при сжатии неоднократно кардинально меняют структуру и свойства. Например, обычный водяной лед при высоких давлениях может превращаться в 14 (!) различных модификаций. Оказалось, что при сверхвысоких давлениях во многих жидкостях также наблюдаются фазовые превращения, которые сопровождаются изменениями их структуры и свойств. Например, в расплаве сульфида мышьяка при сжатии может происходить несколько последовательных превращений с изменением структуры ближнего порядка: тип связи последовательно изменяется от молекулярного к ковалентному, затем к металлическому. При фазовых превращениях в жидкостях под давлением их электропроводность и вязкость может меняться в тысячи раз.

Эти данные важны не только для физики, но и для геологии и планетологии, так как многие соединения в недрах Земли и других небесных тел находятся в жидком состоянии. Отрадно, что в области изучения фазовых переходов в жидкостях российские физики фактически определяют мировой уровень.

Семьдесят аномалий

Линия раздела в сверхкритическом флюиде

В последние годы был также развеян миф об отсутствии в жидкостях сдвиговой жесткости. Из школьной физики известно, что поперечные волны в жидкостях, как и в газах, не распространяются. В то же время физикам давно известно, что высокочастотные ультразвуковые поперечные волны прекрасно распространяются через вязкие жидкости, такие как мед. Благодаря работам итальянских и французских физиков в последние два десятилетия было установлено, что на терагерцовых частотах сдвиговую жесткость имеют все жидкости, независимо от их вязкости.

Большое число примеров изменения структуры и свойств жидкостей при очень высоких давлениях и температурах заставляет задуматься о поведении жидкостей в сверхкритическом состоянии. Со школы всем известно, что кривая перехода жидкость — газ (кипение) заканчивается в критической точке и при давлениях и температурах выше этой точки они неразличимы между собой. Такое состояние вещества принято называть сверхкритическим флюидом. В последние годы исследования таких флюидов вышли на новый уровень из-за их широкого промышленного использования. Вещества в этих особых состояниях имеют свойства чрезвычайно активных растворителей. Они применяются для переработки отходов, экстракции (в химической и фармакологической индустрии), в качестве реакционных сред.

Многие из изученных фазовых превращений в жидкостях происходят при давлениях и температурах намного выше критических, где, казалось бы, все жидкости должны терять «индивидуальность», однако этого не происходит. В последние годы наша группа активно изучала жидкое состояние при температурах, в сотни раз превышающих критические, и давлениях, в десятки тысяч раз больше критических. Так как экспериментальные возможности изучения жидкостей при таких экстремальных параметрах сильно ограничены, одним из основных методов исследований стало компьютерное моделирование свойств жидкостей с использованием суперкомпьютеров. Как это ни удивительно, оказалось, что качественные различия между жидкостью и газом в сверхкритической области сохраняются. Наиболее важное различие состоит в характере траекторий частиц. Движение атомов в жидкости представляет собой почти гармонические колебания с малой амплитудой — и относительно редкие прыжки на большие расстояния. В газе частицы между столкновениями перемещаются почти свободно. В ходе исследований мы установили, что так называемая линия смены типа траекторий частиц существует и в закритической области, при сколь угодно больших давлениях и температурах. Я предложил назвать ее «линией Френкеля», в память о заслугах выдающегося советского физика. Смена типа динамики частиц приводит к ряду важных следствий. Во-первых, флюид теряет сдвиговую жесткость на всех возможных частотах. Таким образом, разные агрегатные состояния можно отличить друг от друга, используя достаточно строгий критерий: твердое тело имеет сопротивление сдвиговой деформации на всех доступных частотах, жидкость — только на высоких, а газ — ни на каких! Во-вторых, в окрестности линии Френкеля качественно меняются температурные зависимости всех основных свойств флюида — вязкости, скорости звука, теплопроводности и т.д. В-третьих, теплоемкость в расчете на частицу на линии Френкеля является практически универсальной величиной и близка к удвоенной константе Больцмана (в расчете на частицу для моноатомных флюидов).

Исследования при сверхвысоких давлениях раскрывают нам причины сложности теоретического описания жидкостей. Твердые тела и газы в каком-то смысле можно назвать «чистыми» агрегатными состояниями. В кристаллах, стеклах динамика движения частиц колебательная, в газах — столкновительная. Жидкость представляет собой «смешанное» агрегатное состояние — переходное от твердого к газообразному. В ней присутствуют оба типа движения — колебательное и баллистическое, и их взаимная доля плавно меняется при изменении внешних параметров. В этом феномене одна из главных причин, почему микроскопическая динамика жидкого состояния трудно поддается теоретическому описанию. То есть теоретики и экспериментаторы фактически имели дело с «разными жидкостями». Теоретики хорошо описывали плотный газ выше линии Френкеля, где теплоемкость меняется от 1,5 до 2 констант Больцмана, четкий ближний порядок отсутствует, поперечные возбуждения не распространяются. Экспериментаторы же, как правило, исследуют жидкости ниже линии Френкеля с теплоемкостью от 3 до 2 констант Больцмана на частицу, сдвиговой жесткостью на высоких частотах, определенной структурой ближнего порядка и т.д. Таким образом, различие между жидкостью и газом существует при любых внешних параметрах, просто выше критической точки переход из одного состояния в другое происходит без термодинамических аномалий. Можно быть уверенным, что дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования флюидов при сверхвысоких давлениях принесут еще немало сюрпризов. Жидкости только начали делиться с нами своими секретами.

Источник