Взаимодействие частиц вещества
Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, которые вращаются вокруг ядра. Атом, как и молекула, электрически нейтрален.
Рассмотрим силу взаимодействия между частицами на примере двух неподвижных молекул.
Между телами в природе существуют гравитационные и электромагнитные силы. Так как массы молекул крайне малы, то силы гравитационного взаимодействия между ними можно не рассматривать. На больших расстояниях электромагнитного взаимодействия между молекулами тоже нет.
При уменьшении расстояния между частицами они начинают ориентироваться так, что их обращённые друг к другу стороны будут иметь разные по знаку заряды (в целом молекулы остаются при этом нейтральными), и, в итоге, между молекулами возникают силы притяжения (максимальная сила притяжения на расстоянии 2–3 диаметров молекулы). При уменьшении расстояния между молекулами возникают силы отталкивания как результат взаимодействия отрицательно заряженных электронных оболочек атомов молекул. Следовательно, на молекулу действует сумма сил: притяжения и отталкивания (на больших расстояниях преобладает сила притяжения, на малых – сила отталкивания).
Взаимодействие между молекулами
На рисунке 2 изображён график зависимости силы взаимодействия между молекулами от расстояния между ними. Красной линией показана сила притяжения, синей линией – сила отталкивания, зелёной линией – итоговый график сил. Величина – это такое расстояние между молекулами, на котором силы притяжения становятся равными силам отталкивания (положение устойчивого равновесия).
График зависимости силы взаимодействия между молекулами в зависимости от расстояния между ними
График зависимости силы взаимодействия между молекулами в зависимости от расстояния между ними
Находящиеся на расстоянии друг от друга и связанные электромагнитными силами молекулы обладают потенциальной энергией. В положении устойчивого равновесия потенциальная энергия молекул минимальна. В веществе каждая молекула взаимодействует одновременно со многими соседними молекулами, что также влияет на величину их минимальной потенциальной энергии. Кроме того, все молекулы вещества находятся в непрерывном движении, то есть обладают кинетической энергией. Таким образом, структура вещества и его свойства (твёрдых, жидких, газообразных тел) определяется соотношением между минимальной потенциальной энергией взаимодействия молекул и их запасом кинетической энергии теплового движения.
Газы
Среднее расстояние между частицами газа намного превышает размеры самих частиц, таким образом, в промежутках между столкновениями частицы газа проходят расстояния, на несколько порядков превышающие собственные размеры. Например, в воздухе (при нормальных условиях) длина свободного пробега молекулы составляет , что в тысячу раз больше среднего размера молекулы.
При таких больших расстояниях между молекулами силы межмолекулярного взаимодействия между ними очень малы. С энергетической точки зрения это означает, что потенциальной энергией взаимодействия молекул (по сравнению с кинетической энергией их движения) можно пренебречь.
Если рассматривать кинетическую энергию, то есть движение молекул газа, то стоит отметить, что каждая из них участвует не только в поступательном, но и во вращательном движении (если это не одноатомный газ), а если учитывать очень малое взаимодействие молекул газа, то эти молекулы будут принимать участие и в колебательном движении
Виды движений молекул
Таким образом, любая молекула газа, не испытывая сильного взаимодействия с соседними, может оказаться в произвольном месте сосуда в любой момент времени, поэтому говорят, что газы не сохраняют ни форму, ни объём. Такое свойство газов широко используется в современной технике (пневматическое оборудование, тепловые двигатели и т. д.).
Твёрдые тела
Твёрдые тела являются полной противоположностью газам. В них не происходит свободного передвижения частиц. Молекулы находятся в узлах кристаллической решётки То есть существует строгий периодический порядок в расположении частиц, составляющих твёрдое тело.
В твёрдых телах потенциальная энергия взаимодействия очень существенна, кинетическая энергия, по сравнению с потенциальной, не велика. Атомы, молекулы или ионы совершают лишь колебательные движения возле положения равновесия. Расстояния между соседними частицами примерно равны размерам самих частиц.
Виды кристаллических решёток отличаются в зависимости от вещества (главное – это периодичность и порядок). Точки пространства, в которых находятся частицы твёрдого тела, называются узлами кристаллической решётки.
Твёрдые тела сохраняют форму и объём (для примера, если подвергнуть пружинку деформации, она вернётся к предыдущей форме, не изменив при этом объём).
Дано:
q = 5 Кл
А = 20 Дж
ф1 = 12 В
ф2 - ?
Получается, что раз работу выполнили сторонние силы и она положительна, то кулоновские силы совершили также положительную работу, потому что значение заряда шарика = + 5 Кл (а поле, действующее на заряд шарика, является полем также положительного заряда). Это значит, что разность потенциалов U тоже положительная, т.к. расстояние между зарядами увеличили:
ф = Еd
- dф = - (Ed2 - Ed1) = E(d1 - d2), d1 < d2 => - dф = ф1 - ф2 = + U
Дополнительно покажем, почему при d1 < d2 ф1 больше, чем ф2:
ф = k*q/r, где r = d
ф1 - ф2 = k*q/d1 - k*q/d2 - при одном и том же числителе дробь k*q/d1 > дроби k*q/d2, поэтому ф1 > ф2, и поэтому U положительна.
Найдём ф2:
А = q*U = q*(ф1 - ф2)
ф1 - ф2 = А/q
ф2 = ф1 - А/q = 12 - 20/5 = 12 - 4 = 8 В.
ответ: 8 В.
