Силы и энергия межмолекулярного взаимодействия.

Силы притяжения

Эти силы являются самыми значимыми для взаимодействия между частицами вещества. По своей природе они являются электростатическими. Силы притяжения, в свою очередь, подразделяются еще на две разновидности:

Ван-дер-Ваальсовы силы: их действие распространяется сразу на всю молекулу;

водородные связи: сфера их влияния ограничена отдельными участками.

Ван-дер-Ваальсовы силы

Эти силы по отношению к объему распространения их влияния являются близкодействующими. Их зона влияния распространяется на расстояние, не превышающее 0,3-0,5 нм.

Именно воздействием Ван-дер-Ваальсовых сил можно объяснить такие явления, как:

сцепление в космическом пространстве между собой частиц, которые можно считать мелкими астероидами;

кольца планет-гигантов, особенно планеты Сатурн (кольца Сатурна доступны для наблюдения с Земли даже в самый слабый телескоп);

способность гекконов передвигаться по совершенно гладким поверхностям, таким как стекло.

Существует три их разновидности:

-дипольные (ориентационные) силы;

-индукционные (деформационные) силы;

-дисперсионные силы.

Дипольные силы можно наблюдать в полярных молекулах в процессе взаимодействия их диполей. Вокруг дипольной молекулы образуется электростатическое поле и происходит ориентация других диполей системы. Наибольшая сила притяжения между полярными молекулами отмечается в ситуации, когда их дипольные моменты расположены вдоль одной прямой. Возникновение такой силы обусловлено тем, что разноименные заряды отделены друг от друга несколько меньшим расстоянием, чем одноименные.

Индукционные силы возникают между двумя молекулами, одна из которых является полярной, а другая – неполярной. Вокруг полярной молекулы образуется электрическое поле. Оно способствует поляризации молекулы с электрическими зарядами. Положительные заряды движутся в сторону электрического поля, а отрицательные – в противоположном от него направлении.

Водородная связь

Особой формой межмолекулярных взаимодействий считается так называемая водородная связь. Как следует из названия, она возникает между молекулами, в составе которых содержатся атомы водорода. Она может формироваться в ситуации, при которой атом водорода соединен ковалентной связью с другим атомом, обладающим значительной электроотрицательностью, вследствие чего формируется частичный положительный заряд на атоме водорода. Такая связь образуется между двумя молекулами, при этом одна из молекул должна содержать частично положительно заряженный атом водорода, а другая – атом элемента с частичным отрицательным зарядом, который содержит не поделенную пару электронов.

Силы отталкивания

Силы отталкивания начинают действовать, когда межмолекулярное расстояние сокращается до предельно возможного минимума. При таком сближении начинают соприкасаться внешние уровни электронов двух атомов. Как следует из принципа Паули, являющегося одним из базовых положений квантовой механики, заполненные электронные оболочки не могут проникать одна внутрь другой. Величина таких сил в значительной степени зависит от особенностей строения молекулы определенного вещества.

 

   Первое начало термодинамики.

Первое начало термодинамики.

Важнейшим свойством термодинамических систем является стремление их перехода в равновесное состояние, в котором они могут пребывать сколь угодно долго. Система стремится к равновесному состоянию даже при наличии внешних воздействий. Важной характеристикой термодинамической системы является внутренняя энергия, которая есть сумма всех видов кинетической и потенциальной энергии всех составных частей системы. В состав внутренней энергии входит кинетическая энергия поступательного и вращательного движения атомов и молекул, энергия их колебаний, потенциальная энергия взаимодействия атомов и молекул, кинетическая и потенциальная энергия электронов в атомах, внутриядерная энергия. В большинстве физических явлений не все перечисленные виды энергии испытывают изменения, например, при нагреве/охлаждении или сжатии/разрежении газов изменяется только кинетическая энергия поступательного и вращательного движения их молекул. Поэтому на практике под внутренней энергией обычно имеют в виду не полную энергию системы, а только ту ее часть, которая изменяется в изучаемых явлениях.

Внутренняя энергия — однозначная функция состояния системы, т. е. в каждом определенном состоянии система обладает определенной внутренней энергией, не зависящей от того, как это состояние было достигнуто. При переходе системы из одного состояния в другое изменение внутренней энергии определяется только разностью ее значений в начальном и конечном состояниях.

Опыт показывает, что при любом способе перехода системы из первого состояния во второе изменение внутренней энергии ΔU=U1-U2 одинаково и равно разности между полученным системой количеством теплоты Q и работой системы против внешних сил: ΔU=Q−A, илиQ=ΔU +A.

Данное уравнение выражает первое начало термодинамики: теплота, сообщаемая системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии и на совершение работы против внешних сил. Первое начало термодинамики в дифференциальной форме имеет вид: δQ=dU+δ A, где dU — бесконечно малое изменение внутренней энергии системы, δA — элементарная работа, δQ — бесконечно малое количество теплоты. Здесь dU является полным дифференциалом, а δA и δQ таковыми не являются. Единицей количества теплоты в системе СИ является джоуль.