Учебное пособие по физике. Часть II. Молекулярно-кинетическая теория, страница 5

Силы молекулярного взаимодействия

Проанализируем взаимодействие молекул, которые для простоты примем в виде одиночных атомов. При сближении атомов их электронные оболочки будут деформироваться и в этом случае атомы можно представить как диполи, следовательно, любые две молекулы должны при взаимодействии проявлять и взаимодействие и отталкивание. Природа взаимодействия молекул электрическая. Обычно молекулярные силы изображаются графически. Как показывают  расчеты, кривые притяжения и отталкивания несколько отличаются друг от друга. Кривая отталкивания круто опускается к оси ОR и лежит ближе к оси ОF, чем кривая сил притяжения. Результирующая сила изображается довольно сложной кривой, с ясно выраженной впадиной в области сил притяжения. При r = r₀ силы притяжения уравновешены силами отталкивания и F_р = 0. Если r < r₀, то преобладают силы отталкивания, причем F_р может достигать больших величин. При r > r_о будут преобладать силы притяжения, при этом F_р увеличивается до определенного предела, после чего Fр уменьшается и стремится к нулю - происходит разрыв между молекулами (см. рисунок 2).

Энергии молекулярного взаимодействия

Взаимодействие молекул, как и любых других физических объектов, характеризуется не только силой, но и энергией взаимодействия. Графики энергии взаимодействия молекул - диполей ведут себя в какой-то мере аналогично графикам сил взаимодействия. При r=r₀ энергия взаимодействия молекул минимальная W_m. При г > r₀ и r < r₀ энергия взаимодействия увеличивается, при чем r < r₀ энергия увеличивается до очень больших величин, а при r > r₀ - до определенного предела W₀. Как известно, нулевой уровень потенциальной энергии может быть выбран произвольно. Удобно предположить, что потенциальная энергия равна нулю при бесконечном удалении молекул друг от друга. Тогда при r> r₀ она

равна нулю: происходит разрыв молекулярных связей. Максимальная энергия взаимодействия  W зависит от рода материала. Если молекуле сообщить некоторую энергию W₁, то она начинает совершать колебания, при которых потенциальная энергия превращается в кинетическую и наоборот, а уровень полной энергии остается неизменным (см. рисунок 3).

Внутренняя энергия. Полная энергия

Работа. Теплообмен. Первое начало термодинамики

Тела состоят из частиц. Частицы находятся в движении и взаимодействии, следовательно, они обладают кинетической и потенциальной энергией. Под частицами в узком смысле понимают молекулы, в широком - все частицы, включая и внутриатомные.

Полную энергию тела можно разделить на внешнюю и внутреннюю энергию. Внешняя энергия включает в себя энергию движения тела и энергию его взаимодействия, как целого с другими физическими объектами. Остальная часть полной энергии называется внутренней энергией тела.

Таким образом,                          

где U- внутренняя энергия тела, а N- число молекул тела.

Внутренняя энергия, как и другая, может изменяться. Существует два способа изменения внутренней энергии.

1 Внутренняя энергия может изменяться за счет других видов энергии (электрической, механической и т.д.). Следует отметить, что в этом случае наблюдается взаимное превращение внутренней и других видов энергии. Считается, что изменение энергии с превращением её в другие виды определяется работой. Значит, при этом способе изменение внутренней энергии совершается работа:

ΔU=ΔW_мех→ΔU=A_мех

ΔU=ΔW_эл→ΔU=А_эл

Известно, что при ударах молота, резании, сверлении, при пропускании электрического тока тела нагреваются.

2 Внутренняя энергия средних тел может изменяться за счет внутренней энергии других тел. В этом случае энергия без превращения передается от одних тел к другим, то есть, работа не совершается. Этот случай изменения внутренней энергии называют теплообменом. Количество внутренней энергии отданной или полученной при теплообмене, называют количеством теплоты.

ΔU=Q,