§ 4. Внутрішня енергія тіла. Фізичні властивості твердих тіл, рідин і газів

Оскільки тверді тіла важко стиснути або розтягнути, то це означає, що між атомами (молекулами) діють як сили притягання (тому важко розтягнути), так і сили відштовхування (тому важко стиснути). Якщо розтягнути гумовий джгут (мал. 4.1, а), то його ширина зменшиться, а якщо стиснути ластик, то він стане товстішим (мал. 4.1, б). Саме так поводиться при деформації і стальний стержень, тільки помітити це важче, оскільки для його деформації потрібно прикладати значно більші сили. Виявляється, що зменшити об'єм твердих або рідких тіл дуже важко. Така поведінка твердих тіл при деформаціях стиску і розтягу і рідин при усесторонньому стисканні говорить про те, що молекули (атоми) в них знаходяться досить близько і сильно взаємодіють.

ДОСЛІД 4.1

Наповніть пластикову пляшку вщерть водою, щільно закрутіть кришку і спробуйте ‘її стиснути, обхопивши двома руками. Пляшка в цьому випадку буде тверда, як дерев'яне поліно. Поясніть явище.

При дуже великих зусиллях і рідину, і тверде тіло можна трошки стиснути. Це означає, що між молекулами цих тіл все ж таки є маленькі проміжки. Дифузія у твердих тілах і рідинах також свідчить про те, що між молекулами є проміжки. Повільність процесів дифузії означає, що ці проміжки малі.

Щоб зрозуміти, як взаємодіють між собою молекули (атоми) твердих тіл і рідин, уявімо собі їх кульками. Між центрами молекул-ку-льок є певна відстань гО, на якій сили притягання і відштовхування рівні (мал. 4.2, а). Вона називається відстанню рівноваги сил і дорівнює приблизно діаметру кульки-молекули.

Якщо відстань між центрами кульок стає більшою ніж г_с/ то обидві сили зменшаться, причому сила притягання зменшиться не так сильно і почне переважати силу відштовхування (мал. 4.2, б).

Якщо центри кульок наблизяться на відстань, меншу ніж г₀, то обидві сили зростуть. Але сила відштовхування зросте сильніше і буде переважати силу притягання (мал. 4.2, в). І сила притягання, і сила відштовхування мають електричну природу і діють на відстані.

З проявом взаємодії між молекулами ми зустрічаємося досить часто. Інструментальники на заводах мають гладкі рівні металеві бруски для перевірки якості обробки поверхні, так звані «плитки Йогансона», які злипаються, якщо їх скласти разом.

Торці роликів у підшипниках такі рівні і гладкі, що можна одним роликом підняти другий, якщо їх скласти торцями.

А от якщо розламати пластикову лінійку, то уламки її уже неможливо скласти (мал. 4.3). Щільний дотик поверхонь у цьому випадку відбувається тільки в деяких точках, а відстань між молекулами (атомами) більшої частини поверхонь, що з'єднуються, надто велика, щоб вони могли притягуватися.

Якщо відстань між центрами молекул переважає в кілька разів розмір самої молекули, то сила взаємодії між ними значно зменшується (мал. 4.2, г). Легка стисливість газів свідчить про те, що відстань між молекулами там досить велика. Насправді вона в десятки разів більша за розміри молекул.

Взаємодія між молекулами газу дуже мала, практично відсутня. Молекули в газі тільки тоді суттєво взаємодіють, коли стикаються між собою в процесі хаотичного руху. Коли молекули газу вдаряють об стінку посудини, в якій знаходиться газ, то вони взаємодіють із молекулами матеріалу стінки. Саме слабкою взаємодією молекул газу між собою пояснюється той факт, що газ не зберігає ні форми, ні об'єму.

Іншим цікавим питанням є те, як рухаються молекули (атоми) всередині речовини. У твердих тілах вони коливаються навколо деякого фіксованого в просторі положення рівноваги, здійснюючи інколи стрибки на нове «місце проживання». Для цього сусідні молекули (атоми) повинні сильно розступитися саме в той момент часу, коли молекула-мігрант рухається в їхньому напрямі. Молекулам рідини також тіснувато, положення рівноваги, навколо якого вони коливаються, постійно зміщується, і вони ніби постійно перемішуються. Тому дифузія в рідинах відбувається зі швидкістю в сотні разів більшою, ніж у твердих тілах.

ДОСЛІД 4.2

Візьміть два невеликі скельця (найкраще предметні скельця від мікроскопа) і добре витріть їхні поверхні сухою ганчіркою, щоб на них не було пилу, жиру і вологи. Складіть поверхні разом і, тримаючи одне з них у горизонтальному положенні, переконайтеся, що вони «злиплися». Поясніть це «злипання» скелець. Чому вони не тримаються разом, якщо їх попередньо не протерти? Чому дослід не вдається зі шматочками дерева чи металу?

Зауваження. Мокрі або просто вологі скельця злипаються за допомогою води, і це явище ВИ ПОКИ що пояснити не зможете.

ПРОЕКТ 4.1

Виготуйте з гучномовця із колонки вібростенд. Для цього треба скачати з Інтернету звуковий генератор і підключити колонку до комп'ютера. Закріпіть на гучномовці, дифузор якого розміщено в горизонтальній площині, легку пластикову посудину, наповнену сумішшю гороху і квасолі і включіть звук на частоті 50-150 Гц. а) Спостерігайте, як відбувається перемішування, б) Наповніть посудину двома сортами гороху - зеленого і жовтого. Включіть ваш вібростенд і спостерігайте перемішування зараз. Справа в тому, що дифузія речовин, молекули яких сильно відрізняються за масою і розмірами, проходить швидше, ніж коли розміри молекул приблизно однакові. Найповільніше дифузія проходить між молекулами однієї й тієї самої речовини (самодифузія). Чи спостерігається це правило на описаному досліді?

Внутрішня енергія

У механіці ми розглядали два види механічної енергії тіла - кінетичну і потенціальну - та їх взаємні перетворення. Кінетичну енергію тіло має, якщо воно рухається, а потенціальну - якщо воно деформоване або взаємодіє з іншими тілами. Кінетична енергія тіла дорівнює нулю, якщо воно не рухається. Нульове значення потенціальної енергії залежить від вибору початку відліку. Якщо два атоми (молекули) віддалити на безмежну відстань, то вони перестануть взаємодіяти і логічно прийняти потенціальну енергію їх взаємодії за нуль. Молекули, з яких складається кожне тіло, взаємодіють між собою і перебувають у неперервному русі, отже, вони мають і кінетичну, і потенціальну енергію.

Суму кінетичних енергій руху всіх молекул тіла і потенціальних енергій їх взаємодії називають внутрішньою енергією даного тіла.

Внутрішньою цю енергію називають тому, щоб не плутати її з енергією тіла як цілого. Якщо тіло не деформоване і йому нікуди впасти, якщо воно до того ж і не рухається, то його потенціальна (відносно поверхні нульового рівня) і кінетична енергія дорівнюють нулю. Проте внутрішню енергію тіло все одно має. Навіть за цих умов молекули, з яких складається тіло, рухаються і мають відповідно кінетичну енергію. Крім того, вони взаємодіють між собою, тому мають ще й потенціальну енергію. Ми можемо отримати переконливу інформацію про кінетичну енергію молекул доторкнувшись, наприклад, до чогось гарячого.

Ми вже знаємо, що про швидкості молекул і значення їх кінетичної енергії можна судити по температурі, яку легко виміряти термометром. Потенціальну енергію молекул визначити складніше, оскільки немає простого способу її вимірювання.

Гази, рідини і тверді тіла

Предмети і речовини, що нас оточують, бувають здебільшого твердими, рідкими чи газоподібними. Наприклад, вода - рідина. На морозі вона перетворюється на лід, тобто переходить у твердий стан. Якщо довго кип'ятити воду, то вона перетвориться на пару. Вода, лід і водяна пара - прозорі, а пари взагалі не видно, як і повітря. Під час кипіння води в чайнику із носика вилітає пара, точніше - це конденсована пара, яка складається із дрібних крапельок води. З таких самих маленьких крапельок води чи кристаликів льоду складаються хмари.

Повітря, до речі, - це суміш газів, найбільше в ньому азоту і кисню. Є також аргон, водяна пара і вуглекислий газ, який ми видихаємо і який поглинають рослини. Азот також засвоюється рослинами, він входить до складу добрив. Нітрати, які шкідливі для здоров'я людей, також містять азот.

Якщо розплавити сталь, то отримаємо рідину, а якщо охолодити кисень до -183 °С, то він перетвориться на прозору, дуже холодну рідину. Майже кожна речовина може перебувати в трьох агрегатних станах: твердому, рідкому і газоподібному.

Різні агрегатні стани відрізняються співвідношенням між кінетичною і потенціальною енергіями молекул, особливостями їх руху та наявністю порядку (чи безпорядку) в розміщенні молекул у просторі.

Газ

Якщо кінетична енергія руху молекул значно більша за потенціальну енергію їх взаємодії, то речовина знаходиться в газоподібному стані. Молекулярна будова газів найпростіша. Молекули газу взаємодіють дуже слабко і рухаються кожна сама по собі, хаотично стикаючись з іншими молекулами чи зі стінками посудини, в якій газ знаходиться. Якщо немає посудини, яка обмежувала б їхню «свободу», то вони розлетяться і більше ніколи не зберуться разом. У багатьох випадках потенціальною енергією взаємодії молекул можна знехтувати порівняно з кінетичною енергією їх руху, особливо коли газ розріджений. На малюнку 4.4 схематично у вигляді кульок зображено модель газоподібного стану, середня відстань між молекулами (атомами) газу приблизно вдесятеро перевищує їх розміри.

Якщо газ охолоджувати або стискати, то молекули будуть зближуватися. В результаті вони почнуть взаємодіяти і при певній температурі та тиску газ почне конденсуватися, (скраплюватися) тобто перетворюватися на рідину (від лат. condensatio - згущення).

Ми звикли, що повітря знаходиться в газоподібному стані, причиною цього є досить висока температура на Землі. На Юпітері, Сатурні та на ще більш віддалених від Сонця планетах такі низькі температури, що поверхні цих планет вкриті цілими морями з рідкого водню, гелію і метану.

* Якщо знехтувати взаємодією молекул, то можна обчислити внутрішню енергію U деякої маси «т» газу. Для цього потрібно середню кінетичну енергію молекули (формула 3.3) помножити на число молекул в даній масі (формула 2.1). В результаті отримаємо:

ДОСЛІД 4.3

Вийміть із холодильника і покладіть на стіл пляшку з водою, яка довго там знаходилася. Досить швидко вона «спітніє», тобто покриється крапельками води. Це сконденсувалася водяна пара, яка завжди є в повітрі, а) Поясніть, чому таке ж явище не спостерігається, якщо пляшка має кімнатну температуру, б) Через деякий час поверхня частини пляшки висохне, і межа сухої і вологої частин пляшки почне зміщуватися в певному напрямі. Визначте, з якою швидкістю і куди зміщується ця межа, а також, де вона спочатку утворюється.

Рідина

Молекули рідини знаходяться досить близько одна біля одної. Відстань між центрами молекул уже близька до їх розмірів. Розміщення молекул у просторі хаотичне (як горошок у банці). В деяких рідинах на невеликих (біля десяти міжмолекулярних проміжків) відстанях може спостерігатися деяка геометрична структура. Такий обмежений невеликими відстанями порядок називають ближнім.

У рідинах потенційна енергія взаємодії молекул за величиною приблизно рівна їх кінетичній енергії.

Взаємодія молекул у рідині досить сильна для того, щоб вони трималися разом як єдине ціле, але недостатня для підтримування форми. Рідина у звичайних умовах набуває форми посудини, в якій вона знаходиться, тобто зберігає об'єм, але не має власної форми (мал. 4.5). Молекули рідини коливаються навколо певних точок простору (положень рівноваги). Проте ці точки постійно зміщуються, тобто молекули рідини весь час перемішуються.

Кристалічні речовини

У твердому стані потенціальна енергія атомів (чи молекул) за абсолютним значенням більша за кінетичну, тому тверді тіла міцні і зберігають форму (мал. 4.6). Атоми коливаються біля положення рівноваги і дуже рідко переходять з місця на місце.

На малюнку4.6 зображена модель кристалічної будови харчової солі, яка складається з атомів Хлору та Натрію. У кристалічних тілах розташування атомів впорядковане і вони утворюють у просторі певні геометричні структури.

Аморфні речовини

Слово «аморфний» означає - «позбавлений форми». В аморфному стані немає геометрично правильних атомних структур, які повторюються на великих відстанях. Атоми (молекули) розміщені в просторі хаотично, як у рідині. Проте центри, навколо яких коливаються атоми, не рухаються. Такі речовини як скло, парафін, смоли, більшість пластмас - є аморфними. Аморфні тіла ще називають застиглими рідинами з дуже великою в'язкістю.

У аморфних речовин немає чіткої температурної межі між твердим і рідким станами (немає фіксованої температури плавлення), при нагріванні вони поступово розм'якшуються. Якби скло було кристалічною речовиною, професія склодува була б неможливою. З часом аморфні речовини кристалізуються: мед, якщо його довго зберігати, зацукровується, старовинні дзеркала темніють. Ближній порядок у розміщенні атомів в аморфних тілах поступово стає дальнім.

ТВОРЧЕ ЗАВДАННЯ

4.1. З'єднайте центри кульок на мал. 4.6 так, щоб утворилася геометрична фігура, яка містить мінімальну кількість «атомів» зеленого (СІ) та фіолетового (Na) кольору і може відтворювати кристал при пересуванні у будь-яку сторону, а) Що це за фігура, б) в якому напрямі і в) на яку мінімальну відстань її потрібно посунути, щоб вона відтворила саму себе?

КОРОТКІ ПІДСУМКИ

У твердих тілах і рідинах молекули розташовані досить щільно, майже впритул.

У газах відстань між молекулами приблизно у 10 разів більша за розмір молекули.

Суму кінетичних енергій руху всіх молекул і потенціальних енергій їх взаємодії називають внутрішньою енергією даного тіла і позначають буквою

U.

У твердих тілах потенціальна енергія взаємодії молекул за величиною більша за їх кінетичну енергію.

У рідинах потенціальна енергія взаємодії молекул за величиною приблизно рівна їх кінетичній енергії.

У газах потенціальна енергія взаємодії молекул дуже мала, їх внутрішня енергія практично дорівнює кінетичній енергії усіх молекул:

ВПРАВА №4

1.    Назвіть дві причини, через які соління огірків проходить швидше, якщо розсіл гарячий.

2.    Чому дифузія в твердих тілах проходить так повільно?

3.    Як можна прискорити дифузійне зрощування металів?

4.    Чому швейна нитка при розтягуванні спочатку трохи витягується, а потім рветься?

5.    Поясніть, чому при пружній деформації розтягу чи стиску тіла отримують потенціальну енергію.

6.    Укажіть декілька різних способів збільшення: а) потенціальної; б) кінетичної енергії молекул тіла.

7.    Який зміст має від'ємна енергія взаємодії молекул?

8.    Чому енергія взаємодії молекул газу дуже мала порівняно з кінетичною енергією їх руху?

9.    Чому виникає біль а) від опіку, б) від обмороження?

10.    У якому співвідношенні знаходяться кінетична і потенціальна енергії молекул а) рідини, б) твердого тіла, в) газу?

11.    Чому рідина набуває форми посудини?

12.    Чому рідина зберігає об'єм?

13.    Як рухаються молекули: а) рідини, б) твердого тіла, в) газу?

14.    Чи можуть молекули рідини утворювати правильні просторові структури?

15.    Чому, стискаючи газ, ми сприяємо його конденсації?

16.    Чому охолодження газу сприяє його конденсації?

17.    Чому на поверхні Юпітера й Сатурна так холодно?

18.    У якому агрегатному стані перебувають: лід, вода, пара, туман?

19.    Чи можуть вода і лід мати однакову температуру?

20.    Чому земна атмосфера не покидає нашу планету?

21.    У яких випадках уже не можна нехтувати потенціальною енергією молекул газу порівняно з їх кінетичною енергією?

22.    Від яких фізичних величин, що характеризують газ, залежить величина внутрішньої енергії цього газу?

23.    Перемножте сталу Авогадро і сталу Больцмана і самостійно отримайте значення універсальної газової сталої R.

24.    При нормальних температурі і тиску повітря молекула кисню пролітає від зіткнення до зіткнення в середньому близько 600 А, а молекула водню - у два рази більше, а) Чому довжина «вільного» пробігу молекули водню більша? б) У скільки разів довжина «вільного пробігу» молекули більша, ніж середня відстань між молекулами газу? в) Чому довжина «вільного» пробігу значно більша, ніж середня відстань між молекулами?

Цей матеріал з підручника Фізика 8 клас Пшенічка