"Физика", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е.
Молекулы вещества не только непрерывно движутся, но и действуют друг на друга. На небольших расстояниях между ними проявляются силы притяжения, а при чрезмерном сближении резко усиливается отталкивание. Такое взаимодействие объясняет, почему чистые поверхности могут сцепиться, твёрдые тела сохраняют форму и сопротивляются сжатию. Оно действует как между молекулами одного вещества, так и между молекулами разных веществ, но заметно лишь в небольшой области вокруг каждой молекулы.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Взаимодействие молекул — взаимное действие молекул друг на друга, проявляющееся в силах притяжения и отталкивания. Иными словами, молекулы не являются независимыми частицами: изменение расстояния между ними меняет действие одной на другую. Это понятие помогает объяснить, почему вещество сохраняет целостность и как оно реагирует на сжатие.
Силы притяжения между молекулами — силы, благодаря которым молекулы могут удерживаться рядом. Их действие помогает частицам вещества сохранять определённое расположение, а соприкасающимся поверхностям — сцепляться. Без притяжения нельзя было бы объяснить устойчивость твёрдых тел.
Силы отталкивания между молекулами — силы, резко возрастающие, когда молекулы сближаются на очень малое расстояние. Они мешают частицам занять одно и то же место и не дают телу легко сжиматься. Это понятие необходимо, чтобы объяснить, почему молекулы не собираются в одну точку.
Радиус молекулярного действия — расстояние, в пределах которого заметно взаимодействие молекул. За пределами этой области действие одной молекулы на другую становится пренебрежимо малым. Термин помогает понять, почему для сцепления поверхностей их нужно сблизить.
Притяжение молекул можно обнаружить с помощью двух свинцовых цилиндров с плоскими основаниями. Если тщательно очистить основания, прижать их друг к другу и плотно совместить, цилиндры сцепятся. Причина не в крючках или клее: выступы поверхностей не мешают молекулам подойти достаточно близко. На таком расстоянии между молекулами свинца действуют силы притяжения, которые удерживают цилиндры вместе.
Если поверхности грязные или неровные, они соприкасаются не всей площадью, а промежутки между молекулами остаются большими. Тогда притяжение слабее и сцепление может не возникнуть. Чтобы молекулярные силы стали заметны, расстояние между молекулами должно попасть в область их действия. Поэтому плотное соприкосновение важно: оно сближает частицы на расстояние, при котором они способны влиять друг на друга.
Притяжение не ограничивается молекулами одинакового вещества. Например, молекулы разных тел у соприкасающихся поверхностей тоже могут притягиваться, если находятся достаточно близко. Так объясняется сцепление поверхностей без обязательного смешивания веществ: молекулы сохраняют принадлежность к своим телам, но взаимодействуют через границу контакта. Чем теснее контакт, тем больше частиц оказываются в области заметного взаимодействия.
Почему же все молекулы не притягиваются и не слипаются в одну точку? Когда расстояние между ними становится очень малым, резко усиливается отталкивание. Оно препятствует дальнейшему сближению частиц и не позволяет им занять одно и то же место. Поэтому при попытке сжать тело молекулы оказывают сопротивление: чем сильнее их сближают, тем заметнее отталкивающее действие.
Силы притяжения и отталкивания зависят от расстояния между молекулами. На сравнительно большом расстоянии заметное взаимодействие слабое, при сближении усиливается притяжение, а при чрезмерном сближении начинает преобладать отталкивание. Существует такое расстояние, при котором молекулы расположены устойчиво: его называют равновесным. Если частицы немного отклонить от этого положения, действующие силы стремятся вернуть их к устойчивому расположению.
В таблице показано, как характер взаимодействия меняется при изменении расстояния между молекулами. Слова «притяжение» и «отталкивание» обозначают преобладающее действие, а не то, что другие силы совсем исчезают. Сопоставляйте ситуацию с расстоянием между частицами — это помогает объяснить наблюдаемое поведение вещества.
| Ситуация | Взаимодействие молекул | Проявление |
|---|---|---|
| Молекулы находятся на расстоянии друг от друга | Взаимодействие слабо или незаметно, если расстояние больше радиуса молекулярного действия | Молекулы почти не влияют друг на друга |
| Молекулы сближаются | Становится заметным притяжение | Молекулы могут удерживаться рядом, поверхности — сцепляться |
| Молекулы чрезмерно сближены | Резко возрастает отталкивание | Сближению частиц мешает сильное сопротивление |
| Молекулы расположены на равновесном расстоянии | Притяжение и отталкивание уравновешивают друг друга | Расположение молекул устойчиво |
Задача 1. Два чистых свинцовых цилиндра с плоскими основаниями прижали друг к другу. Почему они сцепились? Нужно связать наблюдение с расстоянием между молекулами, а не предполагать, что свинец превратился в клей.
Задача 2. Почему кусок твёрдого тела сохраняет форму, но его трудно сжать? В условии соединены два наблюдения, и каждому соответствует своя сторона молекулярного взаимодействия. Сначала рассмотрим устойчивость расположения частиц, затем — их сопротивление сближению.
Задача 3. Почему два твёрдых тела не удаётся провести одно сквозь другое? Чтобы ответить, представим, что при попытке проникновения происходит с частицами обоих тел. Нельзя объяснять это только тем, что поверхности просто касаются: важно, насколько близко оказываются молекулы.
Ошибка: считать, что между молекулами действуют только силы притяжения. Так можно подумать, если рассматривать лишь сцепление частиц и поверхностей. Но чрезмерно сближенные молекулы отталкиваются, и именно этим объясняется сопротивление сжатию. Проверьте себя: можете ли вы объяснить, почему твёрдое тело не сжимается до точки?
Ошибка: утверждать, что молекулы притягиваются на любом расстоянии. Притяжение действительно помогает молекулам удерживаться рядом, но заметное взаимодействие возможно лишь в пределах радиуса молекулярного действия. Путаница возникает, когда забывают о расстоянии между частицами. Проверка простая: если молекулы далеко друг от друга, их взаимодействие не следует считать заметным.
Ошибка: объяснять сцепление обязательным смешиванием молекул. Для притяжения достаточно близкого расположения частиц у соприкасающихся поверхностей, и молекулы разных веществ тоже могут взаимодействовать. Вероятно, ошибку вызывает привычка связывать сцепление со склеиванием или смешиванием. Проверьте объяснение: нужно ли молекулам перейти из одного вещества в другое, чтобы притягиваться? Нет.
Ошибка: путать притяжение молекул с притяжением тел Землёй. В обоих случаях говорят о притяжении, поэтому явления легко смешать. Однако силы между молекулами объясняют сцепление и сопротивление сжатию, а притяжение Землёй — действие на тела со стороны планеты. Чтобы проверить себя, назовите, какие именно объекты взаимодействуют в каждом случае.
Для понимания темы нужно знать, что вещества состоят из молекул и молекулы непрерывно движутся. Межмолекулярные силы помогают объяснить упругость и прочность тел, а также то, почему тело сопротивляется сжатию. Позже эти представления пригодятся при изучении свойств жидкостей, поверхностного натяжения и капиллярных явлений. Во всех этих случаях важно, как близко расположены частицы и как они взаимодействуют.
Почему два чистых свинцовых цилиндра могут сцепиться?
У чистых плоских оснований нет заметного слоя загрязнений, поэтому поверхности можно сблизить настолько, что молекулы свинца окажутся рядом. Между ними начнут действовать силы притяжения, и цилиндры сцепятся.
Притягиваются ли молекулы разных веществ?
Да, силы притяжения действуют и между молекулами разных веществ. Для этого вещества не обязаны смешиваться: достаточно, чтобы молекулы на соприкасающихся поверхностях оказались достаточно близко.
Почему твёрдое тело трудно сжать?
При сжатии молекулы твёрдого тела сближаются. На очень малом расстоянии между ними резко возрастает отталкивание, поэтому тело сопротивляется дальнейшему сжатию.
Почему молекулы не притягиваются друг к другу бесконечно сильно?
Силы притяжения не действуют с заметной силой на любом расстоянии: взаимодействие существенно лишь в пределах радиуса молекулярного действия. А если молекулы сблизить слишком сильно, начинает преобладать отталкивание.
На каком расстоянии молекулярное взаимодействие становится заметным?
Оно становится заметным, когда молекулы расположены достаточно близко друг к другу. Область расстояний, в пределах которой взаимодействие заметно, называют радиусом молекулярного действия.
§ 5. Взаимодействие молекул
