Движение молекул

9. Три состояния вещества

Мы часто видим, как струи водяного пара вырываются из отверстия в крышке чайника, если в нём кипит вода. В жаркий летний день мы с удовольствием пьём холодную чистую жидкость — родниковую, колодезную или водопроводную воду. Зимние морозы сковывают реки и озёра толстой коркой твёрдой воды — льдом. Так, одно и то же вещество, в зависимости от условий, может быть твёрдым, жидким или газообразным.

Сами молекулы при таких превращениях обычно не изменяются. Пар можно превратить в жидкую воду, а затем в лёд; лед перевести снова в воду и пар. При этих переходах изменяются только расстояния между молекулами и силы взаимодействия их друг с другом.

Возьмём какое-нибудь твёрдое при обычной температуре тело. Оно имеет определённые объём и форму. Молекулы его только колеблются, не покидая при этом предназначенных им мест. Колебания молекул так малы по своей величине, что не вызывают сколь-либо заметных изменений в размерах и форме всего тела. Если мы начнём нагревать его, то вначале из миллионов молекул, составляющих тело, только немногие приобретут такую скорость, что силы сцепления их не удержат, и они покинут своё место. Постепенно, с нагреванием, количество таких молекул возрастёт. При некоторой температуре порядок, характеризующий расположение молекул в твёрдом теле, будет существенно нарушен. Тело при этом потеряет свою форму и потечёт. Это явление мы называем плавлением.

Если отдельные молекулы жидкости в результате столкновений приобретут значительные скорости, то силы сцепления не смогут уже удерживать их. Когда эти быстрые молекулы окажутся в верхних слоях жидкости, они могут оторваться от поверхности и уйти в граничащий с жидкостью воздух или другой газ. Это — испарение жидкости.

Чем ниже температура жидкости, тем меньше в ней молекул с повышенной скоростью и, следовательно, тем медленнее происходит испарение. При нагревании жидкости средняя скорость движения молекул возрастает, число быстрых молекул увеличивается и большее число их покидает поверхность жидкости. Жидкость испаряется быстрее.

Выйдя из жидкости, молекулы так далеко расходятся друг от друга, что силы молекулярного взаимодействия между ними становятся ничтожно малыми. Это означает, что жидкость превратилась в пар или газ.

Всякий газ можно охлаждением превратить сначала в жидкость, а затем в твёрдое тело. И обратно, любое твёрдое тело можно расплавить, а полученную жидкость, нагревая, довести до кипения и превратить в пар. При превращении жидкости в твёрдое тело следует иметь в виду, что с понижением температуры жидкость как бы "густеет" или, как говорят, становится более вязкой. С возрастанием вязкости перемещения молекул внутри жидкости затрудняются — молекулам труднее занять правильные положения и образовать кристалл.

В некоторых случаях возрастание вязкости может привести к тому, что тело сделается твёрдым без правильного расположения частиц. Именно таким образом образуются аморфные твёрдые тела, о существовании которых мы уже говорили. Поэтому можно считать аморфные тела скорее чрезвычайно вязкими жидкостями, потерявшими способность течь, нежели истинными твёрдыми телами.

Переход при нагревании твёрдого тела в жидкость и жидкости в газ — самое обычное явление. Но ошибочно думать, что нельзя получить газ прямо из твёрдого тела, минуя жидкость. Всем известны белые кристаллы нафталина, которыми обычно пересыпают шерстяные вещи для предохранения от моли. Нафталин имеет очень резкий запах. Почему? Отдельные молекулы нафталина вырываются с поверхности кристаллов и разносятся по воздуху, образуя, так сказать, "нафталинный газ". Значит, и твёрдые тела тоже могут испаряться. В последнее время для сохранения скоропортящихся продуктов часто применяется в качестве охлаждающего вещества твёрдая углекислота. Это — белая масса, напоминающая снежные комья. Температура твёрдой углекислоты около 78 градусов холода. Отнимая тепло от предметов, которые требуется охладить, она сама нагревается и сразу превращается в бесцветный газ, не образуя ни одной капли жидкости. Поэтому твёрдую углекислоту называют "сухим льдом".

Итак, одно и то же тело, в зависимости от обстоятельств, может быть твёрдым, жидким или газообразным. Каким именно является тело, зависит от того, как движутся и как взаимодействуют его молекулы.

Если каждой молекуле предоставлено много места и силы сцепления малы, то молекулы движутся, почти не оказывая друг на друга никакого действия. Отталкиваясь друг от друга, они стремятся разлететься во все стороны. В этом случае мы имеем дело с газом.

Уменьшая объём, занимаемый газом, можно настолько увеличить силы сцепления, что молекулы уже не смогут после ударов разлетаться свободно в разные стороны. Они будут двигаться, оставаясь поблизости друг от друга. Газ превратится в жидкость.

При понижении температуры жидкости скорость движения молекул уменьшается. Уменьшаются и расстояния между молекулами. Возросшие силы сцепления приведут к тому, что при некоторой температуре молекулы вообще перестанут кочевать с места на место, а будут лишь колебаться. Действующие между молекулами силы заставят их расположиться в виде правильных фигур. Жидкость превратится в твёрдое тело, в кристалл.

Все эти изменения, как мы теперь знаем, связаны с изменением в движении мельчайших частиц вещества — молекул.

Так современная наука выполняет завет Ломоносова — объяснять свойства тел и изменение их свойствами частиц, из которых они построены.