§ 1-1. Узаемадзеянне часціц рэчыва
Кавалачкі разбітага шкла не склейваюцца паміж сабой пры спробе злучыць іх. Аднак, калі краі гэтых асколкаў добра нагрэць, каб яны размякчыліся, то іх можна надзейна злучыць. Як можна патлумачыць гэтыя факты?
Сілы ўзаемнага прыцяжэння паміж часціцамі цвёрдых цел і вадкасцей і часціцамі газаў праяўляюцца па-рознаму. Гэта магчыма ў тым выпадку, калі модуль сіл узаемнага прыцяжэння паміж часціцамі хутка змяншаецца з узрастаннем адлегласці паміж іх цэнтрамі.
Залежнасць модуляў сіл узаемнага прыцяжэння і ўзаемнага адштурхвання ад адлегласці паміж цэнтрамі суседніх часціц павінна быць рознай. Акрамя таго, павінна існаваць пэўная адлегласць r0 паміж цэнтрамі гэтых часціц, пры якой сілы прыцяжэння ўраўнаважваюцца сіламі адштурхвання — іх рэзультуючая роўная нулю (мал. 12.1, а). Адлегласць r0 называюць раўнаважнай. На гэтай адлегласці размяшчаліся б малекулы (атамы), калі б спыніўся цеплавы рух, у якім яны звычайна знаходзяцца.
Разгледзім узаемадзеянне электрычна нейтральных часціц — атамаў і малекул. Калі адлегласць паміж цэнтрамі малекул перавышае іх памеры (мал. 12.1, б), то адбываецца своеасаблівая «электрызацыя» гэтых малекул праз уплыў.
Пратоны і электроны, якія маюць зарады супрацьлеглых знакаў, унутры часціцы не знаходзяцца ў адным месцы, а размеркаваны па ўсім атаме, таму паблізу любога атама або малекулы існуе электрычнае поле. Пад уздзеяннем гэтага поля становішча і рух зараджаных часціц унутры суседніх малекул трохі змяняюцца такім чынам, што ядры, якія змяшчаюць пратоны, зрушваюцца ў напрамку знешняга электрычнага поля, а электроны — у супрацьлеглы бок. Гэтая з'ява атрымала назву электрычнай палярызацыі. Электрычнае поле, створанае палярызацыйнымі зарадамі адной малекулы, у сваю чаргу, выклікае пераразмеркаванне ядзер і электронаў у другой малекуле. У выніку малекулы будуць звернуты адна да адной супрацьлегла зараджанымі часткамі, што і забяспечвае іх узаемнае прыцяжэнне.
Згодна з тэарэтычнымі і эксперыментальнымі даследаваннямі на блізкіх адлегласцях, калі электронныя абалонкі ўзаемадзеючых малекул перакрываюцца (мал. 12.1, в), сілы малекулярнага адштурхвання пераважаюць над сіламі прыцяжэння. Модуль сіл адштурхвання вельмі вялікі пры малых адлегласцях паміж цэнтрамі ўзаемадзеючых малекул, але хутка змяншаецца з павелічэннем адлегласці. Узаемнаму перакрыццю электронных абалонак перашкаджае ўзаемнае адштурхванне электронаў.
Модуль сіл міжмалекулярнага ўзаемадзеяння адваротна прапарцыянальны n-й ступені адлегласці паміж цэнтрамі малекул , дзе для сіл прыцяжэння n = 7, а для сіл адштурхвання n = 13.
Залежнасць праекцыі рэзультуючай Fr сіл прыцяжэння і адштурхвання дзвюх суседніх малекул ад адлегласці r паміж іх цэнтрамі можна адлюстраваць графічна. Накіруем вось Оr ад малекулы 1, цэнтр якой супадае з пачаткам каардынат, да цэнтра малекулы 2 (мал. 12.2). Будзем лічыць, што малекула 1 умоўна нерухомая, а малекула 2 змяняе сваё становішча адносна малекулы 1. Тады праекцыя сілы адштурхвання малекулы 2 малекулай 1 на вось Оr будзе дадатная, а праекцыя сілы прыцяжэння малекулы 2 малекулай 1 — адмоўная.
На малых адлегласцях (r < r0) модуль сілы адштурхвання (гл. мал. 12.2) большы за модуль сілы прыцяжэння. Аднак з павелічэннем адлегласці r ён змяншаецца хутчэй, чым модуль сілы прыцяжэння. Пачынаючы з некаторай адлегласці rм узаемадзеянне малекул можна не прымаць пад увагу. Найбольшую адлегласць rм, на якой яшчэ ўлічваюць узаемадзеянне малекул, называюць радыусам малекулярнага дзеяння. Адлегласць r0 адпавядае ўстойліваму (раўнаважнаму) узаемнаму становішчу малекул. Тонкія «вертыкальныя» (паралельныя Fr) лініі праведзены пры выкананні складання праекцый сіл.
Графік залежнасці праекцыі рэзультуючай Fr сіл прыцяжэння і адштурхвання дзвюх суседніх малекул ад адлегласці r паміж іх цэнтрамі (крывая праекцыі сілы ўзаемадзеяння Fr на малюнку 12.2) дазваляе растлумачыць малекулярны механізм узнікнення сіл пругкасці ў цвёрдых целах. Пры ўздзеянні на цела расцяжных знешніх сіл адлегласць r паміж цэнтрамі часціц рэчыва становіцца большай за раўнаважную адлегласць r0. Модуль сілы прыцяжэння на адлегласцях r > r0 перавышае модуль сілы адштурхвання (гл. мал. 12.2). Дзеянне сіл прыцяжэння паміж часціцамі вяртае іх у першапачатковыя становішчы пасля спынення знешняга ўздзеяння. Пры сцісканні цвёрдага цела яго часціцы збліжаюцца на адлегласці r < r0. Цяпер сілы адштурхвання пераважаюць і перашкаджаюць далейшаму сцісканню. Пры малых зрушэннях часціц з першапачатковых становішчаў устойлівай раўнавагі, выкліканых дэфармацыяй цвёрдага цела, залежнасць праекцыі рэзультуючай сілы Fr ад адлегласці r практычна лінейная (участак АВ крывой Fr графіка на малюнку 12.2 можна лічыць адрэзкам прамой). Менавіта таму пры малых дэфармацыях выконваецца закон Гука: праекцыя сілы пругкасці Fпрr на вось Or прама прапарцыянальная абсалютнаму падаўжэнню Δl цела, Fпрr = –kΔl, дзе k — жорсткасць цела. Асаблівасцю пругкай дэфармацыі з'яўляецца тое, што яна не парушае міжатамных (міжмалекулярных) сувязей і не ўтварае новых. Усе атамы (малекулы) захоўваюць сваіх суседзяў. Гэтая акалічнасць і забяспечвае вяртанне часціц у раўнаважны стан, калі спыняецца дзеянне дэфармуючай сілы.
1. Якое паходжанне маюць сілы міжмалекулярнага ўзаемадзеяння?
2. Якія сілы (прыцяжэння або адштурхвання) будуць пераважаць, калі пад уздзеяннем знешніх сіл адлегласць паміж часціцамі рэчыва стане: а) меншая за раўнаважную, б) большая за раўнаважную? Што адбудзецца ў кожным з гэтых выпадкаў пасля спынення дзеяння знешніх сіл?