Разница между движением молекул в газах, жидкостях и твердых телах

Из курса школьной физики нам известно, что все вокруг нас, в том числе и мы сами, состоит из мельчайших частиц – атомов, которые, в свою очередь, объединены в более крупную форму – молекулы. Также все знают, что эти маленькие «кирпичики мироздания» находятся в постоянном движении. Однако материя нашего мира имеет различное физическое состояние. Основных ипостасей три – твердое, жидкое и газообразное. И, если включить логику, можно прийти к выводу, что данные частички (в нашем случае молекулы) движутся в них по-разному. Для того чтобы понять, чем отличается движение молекул в газах, жидкостях и твердых телах, следует немного освежить в памяти основы молекулярно-кинетической теории.

Содержание статьи

Теоретическая физика – куда же без нее

Чтобы понять сущность молекулярного движения в различных физических средах, нам потребуется знание ряда несложных понятий:

  • положение равновесия;
  • оседлая жизнь молекулы;
  • потенциальная и кинетическая энергии;
  • агрегатное состояние материи.

Дадим расшифровку этих пунктов.

Мир молекул постоянно находится в движении. Оно, даже если и незначительно, все равно существует. Не бывает «мертвых», неподвижных молекул. Самые малоподвижные молекулы совершают определенные колебания около так называемого положения равновесия. Это следует запомнить для лучшего понимания предмета нашего изучения. Если же молекула переходит (перескакивает) из одного положения равновесия в другое, то это уже указывает на высокую подвижность молекулярной массы. Кстати, в таких случаях говорят о среднем времени «оседлой жизни» молекулы. Имеется в виду, сколько времени молекула находится в районе одного положения равновесия. Это также нужно отложить в памяти.

Коротко и примитивно об энергиях:

  • потенциальная энергия – энергия, которая характеризуется взаимным расположением тел или между частями одного объекта в состоянии покоя;
  • кинетическая энергия – энергия тела во время движения.

Переход материи из одного состояния в другое называется агрегатным – aggrego (лат.). В переводе это означает «связываю, присоединяю». Следует понимать, что на молекулярном уровне состав вещества остается прежним, меняются только его физические свойства. И эти изменения происходят благодаря движению молекул и тепловому эффекту, его сопровождающему.

чем отличается движение молекул в газах, жидкостях и твердых телах;

Для примера возьмем самое обыденное и распространенное вещество, легко переходящее в одно из трех состояний, – воду (жидкое состояние). Ее молекула включает два химических элемента – водород и кислород (H2O), и она без особых ухищрений может превратиться в лед (твердое состояние) или пар (газообразное состояние).

Основное физическое состояние молекул H2O у нас на планете – это вода (жидкое). Оно же является средним звеном трехэтапной цепочки превращений. Из этого положения она может стать льдом или паром. Но лед никогда не станет паром, минуя жидкое состояние. Хотя бы на мгновение, но он обязательно превратится в воду. То же самое происходит и в обратном направлении (пар, вода, лед). Теперь опишем отличия движения молекул в газах от жидкости и твердых тел в каждом отдельном случае. Сделаем это с помощью простого физического опыта. Под первым номером, естественно, идет твердое состояние как начальное и дающее возможность понять, что происходит в последующем. Достанем кусок льда из холодильника и начнем эксперимент.

к содержанию ↑

Ледниковый период

В твердом состоянии внутренняя структура любого вещества выстроена в строгую кристаллическую форму или, как говорят ученые, имеет молекулярную решетку. Само собой, лед не является исключением из правил. Расстояние между частичками, составляющими «ледяную решетку», крайне мало, а подвижность относительно «положения равновесия» стремится к нулю (хотя однозначно присутствует). Чем меньше эти величины, тем крепче и тверже вещество. Потенциальная энергия такого тела намного выше, чем кинетическая.

Твердая материя отличается постоянным объемом и формой. Она не растекается и не испаряется. Она ломается, крошится, но опять же сохраняет при этом объем и форму. Все это возможно только благодаря жесткой сцепке молекул между собой. Конечно, речь идет о нахождении льда в естественных условиях. Теперь попробуем нагреть наш кусок льда.

отличия движения молекул в газах от жидкости и твердых тел

к содержанию ↑

Почему она течет?

Мы знаем, что при повышении температуры лед начинает таять, то есть плавно превращаться в воду. А что происходит внутри «айсберга»? С повышением «градуса» в молекулах просыпается настойчивое желание смены обстановки. Скорость их движения увеличивается, и все больше молекул начинают покидать насиженные места и перескакивать в соседние «положения равновесия». И чем жарче становится, тем меньше время «оседлой жизни» и больше переездов. Запасы кинетической энергии начинают расти и, наконец, вплотную подбираются по своим объемам к ее «потенциальной сестре». В какой-то момент наступает час икс – твердый, холодный и несгибаемый лед переходит в жидкое состояние, превращаясь в такую привычную и любимую всеми воду. Она перетекает, растекается, но, правда, до определенных пределов.

Несмотря на сильное ослабление межмолекулярных связей, они все же достаточно крепки, чтобы не позволить жидкости развалиться окончательно. Материя продолжает сохранять объем, но четко выраженных, твердых границ почти нет. То есть жидкость принимает форму занимаемого ей пространства.

к содержанию ↑

Пар чайника с точки зрения науки

Итак, мы получили изо льда воду, но наш эксперимент еще не окончен. Зальем воду в чайник и поставим его на газ. Через какое-то время мы увидим, как из носика чайника начинает подниматься тоненькая струйка пара, увеличивающаяся в объеме каждую секунду. Мы достигли своей последней цели – сделали из воды пар. Но как это произошло? Бросим внимательный взгляд на этот процесс со стороны.

Вода, находящаяся в чайнике, стремительно нагревалась. Молекулы H2O все больше и больше увеличивали скорость движения. Стремительная и постоянная смена «положений равновесия» стала нормой. Время «оседлой жизни» сократилось до минимума. Собственная температура воды также неумолимо росла. И вот наступил миг, когда мировой порядок был повергнут и началась полная анархия. Кинетика окончательно и бесповоротно опередила потенциальную энергию. Притяжение между молекулами ослабло до предела, движение хаотично. Уже нет ни формы, ни объема. Если пар поступит в какой-либо сосуд, то он будет удерживаться в нем только из-за наличия стенок. Стоит их убрать, как газообразная субстанция тут же рассеется в пространстве. Что, кстати, мы и наблюдаем при кипении чайника.

к содержанию ↑

Сравнение

Пора подвести некий итог вышеизложенному и систематизировать полученные данные из нашего опыта в таблицу.

Сравнительная таблица движения молекул в разных средах
Твердая средаЖидкая средаГазообразная среда
Молекулы практически неподвижны. Заметны только малосущественные колебания около «положения равновесия»Колебания в районе «положения равновесия» значительно выше. Нечасто, но регулярно начинают появляться «туристы», перескакивающие из одного положения в другоеВсе летит в бездну. Каждая молекула начинает жить своей жизнью. Девиз один: быстрее, выше, сильнее… Полностью хаотичное движение
Существует жесткая кристаллическая решетка. Расстояние между молекулами крайне мало и действуют мощные силы притяженияМатерия теряет кристаллическую структуру и переходит в некое аморфное состояние, в котором межмолекулярные связи значительно ослаблены, но еще достаточны, чтобы не дать веществу окончательно «распылиться»Нет никаких связей. Расстояния между молекулами могут быть любыми, при этом они постоянно меняются. Взаимопритяжение отсутствует
Время «оседлой жизни» бесконечноПоявляется граница на время проживания в одном месте, прописка становится «временной»Нет никаких «оседлых жизней» и «положений равновесия». Все молекулы находятся в безостановочном и беспорядочном движении
Постоянные объем и форма. Чтобы разрушить вещество, требуется приложить немалые усилия. Есть определенная упругость и высокая сопротивляемость механическому воздействиюОбъем продолжает сохраняться, но на поддержание постоянной формы уже нет сил. Появляется текучесть. Противодействие внешним силам (кроме сил сжатия) очень малоПолное отсутствие объема и хотя бы какого-то подобия формы. Все разваливается (испаряется) на глазах. Хорошо поддается сжатию
Потенциальная энергия значительно выше кинетическойУровень кинетической энергии почти вплотную подбирается к ее потенциальному противовесуБезоговорочная власть кинетики, потенциальная энергия присутствует, но ее сила крайне мала

Мы полагаем, что теперь понимание того, в чем разница между движением молекул в газах, жидкостях и твердых телах, у наших читателей сформировалось окончательно. Причем заметим: она (разница) довольно существенная, а в некоторых моментах и принципиальная, например в том, что касается объема и формы. В приведенной статье мы постарались объяснить суть агрегатного явления в физике как можно более доступно и понятно. Надеемся, что у нас это получилось.