Газы в молекулярно-кинетическом представлении

Простейшее и наиболее изученное агрегатное состояние вещества — газообразное. Оно является самым хаотич­ным и характеризуется отсутствием как дальнего порядка (типичного для твердой фазы), так и ближнего порядка (обычного для жидкой фазы). Газы не имеют формы — они занимают весь предоставленный им объем.

Мо­лекулы, из которых состоит газ, обычно так далеко находятся друг от друга, что большую часть времени движутся независи­мо. Сближаясь, они взаимодействуют друг с другом посред­ством электромагнитного поля. Интенсивность межмолекулярного взаимодействия можно охарактеризовать с помощью потенциальной энергии взаимодействия, которая имеет ми­нимум при некотором расстоянии r₀ между молекулами. На расстояниях, меньших r₀, взаимодействие носит характер от­талкивания, при r > r₀ наблюдается взаимное притяжение.

Силы электромагнитного взаимодействия между молекулами быстро убы­вают с расстоянием (при­мерно как r^-7), так как мо­лекулы в целом являются электронейтральными, а их электромагнитные по­ля представляют собой «хвосты» — следы от сложного распределения разноименных электриче­ских зарядов внутри мо­лекулы.

Минимальное расстояние d, на которое могут подойти друг к другу две молекулы, называется эффективным диаметром молекулы. Как видно из рисунка, с увеличением E(d) — на­чальной кинетической энергии молекул — d уменьшается. Это означает, что эффективный диаметр молекулы не являет­ся «настоящим диаметром», а представляет собой просто удобную геометрическую характеристику межмолекулярного взаимодействия. Соответственно условная величина

σ = πd²

получила название эффективного сечения молекулы. Ее раз­мерность [м²], но более часто употребляется единица барн (1 барн = 10^-28 м²). Диаметр молекулы газа порядка 0,2 нм = 2 • 10^-10 м, а сечение около 1,3 • 10^-19 м² = 1,3 Гбарн.

Изменение силы взаимодействия двух сближающихся молекул газа

Термин «барн» (barn — в пер. с англ. «сарай») при­думали физики, работав­шие над проектом атом­ной бомбы во время Второй мировой войны в университете Пардью. Се­чение в 1 барн сравни­тельно большое для ядерной физики, и уче­ные говорили, что оно «сопоставимо по разме­рам с воротами сарая, в которые не промажет да­же слепой стрелок».

В первом приближении можно считать, что взаимодей­ствие молекул носит характер соударения твердых упругих шаров.

Среднее расстояние, проходимое молекулой между двумя последовательными соударениями, называется средней дли­ной свободного пробега λ. Если обозначить через n концент­рацию молекул газа (число молекул в единице объема), то свободный пробег будет тем больше, чем реже распо­ложены молекулы в пространстве (т. е. чем меньше n):

λ = 1 / √(2σn). Материал с сайта http://worldof.school

Определим среднее число столкновений v, которое испытывает молекула за одну секунду; для этого до­статочно поделить среднюю скорость движения моле­кулы на средний пробег:

v = <V> / λ.

При нормальных, комнат­ных, условиях молекула азота имеет скорость око­ло 500 м/с и средний про­бег порядка 2 • 10^-7 м, т. е. испытывает за 1 с не­сколько миллиардов со­ударений с другими моле­кулами.

В результате межмолекулярных столкновений скоро­сти молекул газа равномерно распределяются по всем направлениям в пространстве. Возникает равновесное со­стояние газа, в котором отдельные молекулы могут иметь произвольное значение модуля скорости — от нуля до пре­дельно высоких значений.

На этой странице материал по темам:

• Молекулярная физика конспект