Лекция 5. Взаимодействие молекул. Потенциальные функции межмолекуляного взаимодействия.

 

Атомы и молекулы, из которых состоит вещество, находятся в состоянии непрерывного движения. Молекулы движутся хаотично и обмениваются энергией. Обмен энергии происходит благодаря взаимодействию молекул, в частности благодаря столкновениям между ними. На больших расстояниях силы взаимодействия очень малы и ими можно пренебречь, а на малых расстояниях они оказывают заметное действие. В газах молекулы находятся на больших расстояниях и взаимодействуют лишь в течении весьма малых , когда оказываются друг к другу достаточно близко. Такое кратковременное взаимодействие называется столкновением. Различают два вида столкновений между молекулами:

1) Столкновение первого рода, в результате которого изменяются только объем V и кинетическая энергия молекулы: состав или структура молекулы не меняется.

2) Столкновение второго рода – происходят изменения внутри молекулы (состав или взаимное расположение атомов в молекуле). При этом часть  затрачивается на совершение работы  против сил, действующих внутри молекулы. Иногда наоборот, может выделиться некоторая энергия за счет уменьшения внутренней энергией  молекулы.

Природа сил взаимодействия между молекулами – электрическая  и, обусловлена тем, что атом, а значит и молекула содержат электрически заряженные частицы – электроны и ядра. Т.к. заряды одинаковыми знаками отталкиваются, а противополжными притягиваются, то само существование сил притяжения и отталкивания легко объяснить.

Силы межмолекулярных взаимодействий очень быстро убывают при увеличении расстояния  между молекулами (короткодействующие силы). При расстоянии между молекулами этими силами можно пренебречь. Силы притяжения и силы отталкивания действуют одновременно, так как в противном случае газы и жидкости не имели бы определенного объема. Частицы либо разлетались бы, либо слиплись. При  преобладают силы отталкивания , а при - силы взаимного притяжения .

При , , , , ,  таким образом  - расстояние (равновесное), на котором они находились бы, если бы не было теплового движения.

Элементарная работа , которая совершается силой F, при увеличении расстояния между молекулами на dr равна убыли взаимной двух молекул.

Интегрируя от r до ∞:

,

При r = ∞ молекулы не взаимодействуют и =0 поэтому:   

Интеграл может быть вычислен графически и известной зависимостью от r (рис.1). Он пропорционален площади, ограниченной кривой (r), осью r и значением r (r=const), для которого вычисляется .

При  т.к. , при , т.к.

Система, состоящая из двух взаимодействующих молекул, в состоянии устойчивого равновесия () обладает наименьшей потенциальной энергией . При начинает возрастать, становится положительной и затем резко возрастает в связи с быстрым увеличением  при уменьшении r.

Величина является критерием для различных агрегатных состояний вещества.

Если , то вещество находится в газообразном состоянии;

При - твердое состояние;

При  - жидкость.

Здесь kT – удвоенная средняя энергия, приходящаяся на одну степень свободы теплового движения молекулы.