Агрегатное состояние вещества

 

 

В этой работе показана причина существования вещества в нескольких агрегатных состояниях.

Дискретное строение вещества известно очень давно. Также очень давно известно, что свойства веществ определяются взаимодействием его молекул, но это древнее знание не используется в современной физике для определения агрегатного состояния вещества. Для определения агрегатного состояния вещества чаще всего используют или перечисление его внешних признаков вещества в различных агрегатных состояниях, или расплывчатые критерии, по которым нельзя определить, в каком агрегатном состоянии находится вещество. Максимум, что можно найти в учебниках по физике - это голословные, весьма размытые декларации типа «Существование у вещества нескольких агрегатных состояний обусловлено различиями в тепловом движении его молекул (атомов) и в их взаимодействии». При этом, вывести точные критерии агрегатного состояния вещества не очень сложно. Начнём с определений.

«Агрегатные состояния вещества, состояния одного и того же вещества (например, воды, железа, серы), переходы между которыми сопровождаются скачкообразным изменением ряда физических свойств (плотности, энтропии и др.). Обычно рассматривают газообразное, жидкое и твёрдое агрегатные состояния (иногда ещё и плазменное). Существование у вещества нескольких агрегатных состояний обусловлено различиями в тепловом движении его молекул (атомов) и в их взаимодействии». [2]

Ни в одном физическом определении не раскрыто, какое именно взаимодействие молекул определяет агрегатные состояния вещества. Сейчас для определения агрегатных состояний вещества используют приблизительные критерии, созданные исключительно для того, чтобы студенты задавали меньше вопросов, поскольку однозначно определить агрегатное состояние вещества по этим критериям невозможно.

«Элементарная работа силы при увеличении расстояния между молекулами на совершается за счет уменьшения взаимной потенциальной энергии молекул, т.е.

 

(1)

 

Из анализа качественной зависимости потенциальной энергии взаимодействия молекул от расстояния между ними, (рис. 1) следует, что если молекулы находятся друг от друга на расстоянии, на котором межмолекулярные силы взаимодействия не действуют, ( ), то . При постепенном сближении молекул между ними появляются силы притяжения ( ), которые совершают положительную работу ( ).

Тогда, согласно (1), потенциальная энергия взаимодействия уменьшается, достигая минимума при . При с уменьшением силы отталкивания ( ) резко возрастают и совершаемая работа против них отрицательна ( ).

Потенциальная энергия начинает тоже резко возрастать и становится положительной. Из данной потенциальной кривой следует, что система из двух взаимодействующих молекул в состоянии устойчивого равновесия ( ) обладает минимальной потенциальной энергией.

Критерием различных агрегатных состояний вещества является соотношение между величинами и . - наименьшая потенциальная энергия взаимодействия молекул определяет работу, которую нужно совершить против сил притяжения для того, чтобы разъединить молекулы, находящиеся в равновесии ( ); определяет удвоенную среднюю энергию, приходящуюся на одну степень свободы хаотического (теплового) движения молекул.

Если , то вещество находится в газообразном состоянии, так как интенсивное тепловое движение молекул препятствует соединению молекул, сблизившихся до расстояния , т.е. вероятность образования агрегатов из молекул достаточно мала. Если , то вещество находится в твердом агрегатном состоянии, так как молекулы, притягиваясь друг к другу, не могут удалиться на значительные расстояния и колеблются около положений равновесия, определяемого расстоянием . Если , то вещество находится в агрегатном состоянии жидкости, так как в результате теплового движения молекулы перемещаются в пространстве, обмениваясь местами, но не расходясь на расстояние, превышающее .

Таким образом, любое вещество в зависимости от температуры может находиться в газообразном, жидком или твердом агрегатном состоянии, причём температура перехода из одного агрегатного состояния в другое зависит от значения для данного вещества. Например, у инертных газов мало, а у металлов велико, поэтому при обычных (комнатных) температурах они находятся соответственно в газообразном и твердом состояниях». [1]

Привязка агрегатного состояния вещества только к температуре, без учёта других факторов, физически не корректна. Агрегатное состояние вещества зависит также и от концентрации молекул, и от давления. Например, вода, в зависимости от давления, может находиться в жидком или газообразном состоянии в диапазоне температур от до .