Модельные представления о строении жидкостей, газов и кристаллов

Сосуществование с другими фазами.  Формально говоря, для равновесного сосуществования жидкой фазы с другими фазами того же вещества — газообразной или кристаллической — нужны строго определённые условия. Так, при данном давлении нужна строго определённая температура. Тем не менее, в природе и в технике повсеместно жидкость сосуществует с паром, или также и с твёрдым агрегатным состоянием — например, вода с водяным паром и часто со льдом (если считать пар отдельной фазой, присутствующей наряду с воздухом). Это объясняется следующими причинами:

— Неравновесное состояние. Для испарения  жидкости нужно время, пока жидкость не испарилась полностью, она сосуществует с паром. В природе  постоянно происходит испарение воды, также  как и обратный процесс — конденсация.

— Замкнутый объём. Жидкость в закрытом сосуде начинает испаряться, но поскольку объём  ограничен, давление пара повышается, он становится насыщенным ещё до полного  испарения жидкости, если её количество было достаточно велико. При достижении состояния  насыщения количество испаряемой жидкости равно количеству конденсируемой жидкости, система приходит в равновесие. Таким  образом, в ограниченном объёме могут установиться условия, необходимые  для равновесного сосуществования  жидкости и пара.

— Присутствие атмосферы  в условиях земной гравитации. На жидкость действует атмосферное  давление (воздух и  пар), тогда как  для пара должно учитываться  практически только его парциальное  давление. Поэтому  жидкости и пару над  её поверхностью соответствуют  разные точки на фазовой  диаграмме, в области  существования жидкой фазы и в области  существования газообразной соответственно. Это  не отменяет испарения, но на испарение нужно  время, в течение  которого обе фазы сосуществуют. Без  этого условия  жидкости вскипали бы и испарялись очень  быстро. 

Глава 2. Газ

2.1.  Понятие газа

    ГАЗ – одно  из агрегатных  состояний вещества, в котором составляющие  его частицы (атомы,  молекулы) находятся  на значительных  расстояниях друг  от друга и находятся  в свободном движении. В отличие от  жидкости и твердого  тела, где молекулы  находятся на близких  расстояниях и  связаны друг с  другом значительными  по величине силами  притяжения и отталкивания, взаимодействие молекул  в газе проявляется  лишь в короткие  моменты их сближения  (столкновения). При  этом происходит  резкое изменение  величины и направления  скорости движения  сталкивающихся частиц.

    Название «газ»  происходит от  греческого слова  «haos» и было  введено Ван Гельмонтом  еще вначале 17 в., оно хорошо  отражает истинный  характер движения  частиц в газе, отличающегося полной  беспорядочностью, хаотичностью. В отличие, например, от жидкости газы  не образуют свободной  поверхности и  равномерно заполняют  весь доступный  им объем. Газообразное  состояние, если  причислять к нему  и ионизованные  газы, является самым  распространенным  состоянием вещества  во Вселенной (атмосферы  планет, звезды, туманности, межзвездное вещество  и т.д.).

2.2. Движение молекул

    Движение молекул  в газах имеет  беспорядочный характер: скорости молекул  не имеют какого-либо  преимущественного  направления, а  распределены хаотически  по всем направлениям. Вследствие столкновений  молекул между  собой скорости  их все время  меняются как по  направлению, так  и по модулю. Поэтому  скорости молекул  могут сильно различаться  между собой. В  любой момент в  газе есть и  молекулы, движущиеся  чрезвычайно быстро, и молекулы, движущиеся  сравнительно медленно. Однако число молекул,  движущихся значительно  медленнее или  значительно быстрее,  чем остальные,  мало. Большинство  молекул движется  со скоростями, сравнительно  мало отличающимися  от некоторой средней  скорости, зависящей  от рода молекул  и температуры  тела. В дальнейшем, говоря о скорости  молекул, мы будем  иметь в виду их среднюю скорость. К вопросу об измерении и расчете средней скорости молекул мы обратимся позже. Во многих рассуждениях относительно движения молекул газа играет важную роль понятие средней длины свободного пробега. Средней длиной свободного пробега называют среднее расстояние, пробегаемое молекулами между двумя последовательными столкновениями. С уменьшением плотности газа средняя длина свободного пробега увеличивается. При атмосферном давлении и 0°С средняя длина свободного пробега молекул воздуха равна примерно 10-8—10-7 м (рис. 371).

Рис. 371. Таким примерно представляется путь молекулы воздуха  при нормальном давлении (увеличено  в миллион раз)

    В очень разреженных  газах (например, внутри пустотных  электрических лампочек)- средняя длина  свободного пробега  достигает нескольких  сантиметров и  даже десятков  сантиметров. Здесь  молекулы движутся  от стенки к  стенке почти без  столкновений. В твердых  телах молекулы  колеблются около  средних положений.  В жидкостях молекулы  также колеблются  около средних  положений. Однако  время от времени  каждая молекула  переходит скачком  в новое среднее  положение, отстоящее  от предыдущего  на несколько межмолекулярных  расстояний. 

2.3. Свойства газа

    В газовом состоянии энергия взаимодействия частиц между собой гораздо меньше их кинетической энергии: ЕММВ << Екин.

    Поэтому молекулы (атомы)  газа не удерживаются  вместе, а свободно  перемещаются в  объеме, значительно  превышающем объем  самих частиц. Силы  межмолекулярного  взаимодействия проявляются,  когда молекулы  подходят друг  к другу на достаточно  близкое расстояние. Слабое межмолекулярное  взаимодействие обусловливает  малую плотность  газа, стремление  к безграничному  расширению, способность  оказывать давление  на стенки сосуда, препятствующие этому  стремлению. Молекулы  газа находятся  в беспорядочном  хаотическом движении, и в газе отсутствует  какой-либо порядок  относительно расположения  молекул. Состояние газа характеризуют: температурой - T, давлением - р и объемом - V. При малых давлениях и высоких температурах все типичные газы ведут себя приблизительно одинаково. Но уже при обычных и, особенно, пониженных температурах и высоких давлениях начинают проявляться индивидуальности газов. Повышение внешнего давления и понижение температуры сближает частицы газа, поэтому межмолекулярное взаимодействие начинает проявляться в большей степени. Для таких газов уже нельзя применять уравнение Менделеева-Клапейрона: а следует применять уравнение Ван-дер-Ваальса:

  где a и b - постоянные члены, учитывающие наличие сил притяжения между молекулами и собственный объем молекул, соответственно.

    При сжатии газов, когда происходит значительное увеличение их плотности, силы ММВ становятся все более ощутимыми, что приводит к созданию условий для образования из молекул различных ассоциатов. Ассоциаты относительно неустойчивые группы молекул. Из природы составляющих ММВ следует, что универсальные силы взаимодействия увеличиваются при увеличении размеров атомов  резко растет поляризуемость, поэтому, чем тяжелее однотипные частицы (атомы или молекулы) вещества, тем обычно выше степень их ассоциации при данной температуре, тем при более низких температурах такое вещество переходит из газа в жидкость. 

  Глава 3. Кристаллы

3.1.Понятие кристаллов

    Мир кристаллов - мир не менее  красивый, разнообразный,  развивающийся, зачастую  не менее загадочный, чем мир живой  природы. Важность  кристаллов для  геологических наук  состоит в том,  что подавляющая  часть земной коры  находится в кристаллическом  состоянии. В классификации  таких фундаментальных  объектов геологии, как минерал и  горная порода, понятие  кристалла является  первичным, элементарным, аналогично атому  в периодической  системе элементов  или молекуле в  химической классификации  веществ. По афористичному  высказыванию известного  минералога, профессора  Санкт-Петербургского  горного института  Д.П. Григорьева, "минерал  - это кристалл". Ясно, что свойства  минералов и горных  пород теснейшим  образом связаны  с общими свойствами  кристаллического  состояния.

    Слово "кристалл" - греческое (κρισταλλος), исходное его значение - "лёд". Однако уже в  античное время  этот термин был  перенесён на прозрачные  природные многогранники  других веществ  (кварца, кальцита  и т. п.), так  как считалось,  что это тоже  лёд, получивший  в силу каких-то  причин устойчивость  при высокой температуре.  В русском языке  это слово имеет  две формы: собственно "кристалл", означающее, возникшее естественным путем многогранное тело, и "хрусталь" - особый сорт стекла с высоким показателем преломления, а также прозрачный бесцветный кварц ("горный хрусталь"). В большинстве европейских языков для обоих этих понятий используется одно слово (сравните английские "Crystal Palace" - "Хрустальный дворец" в Лондоне и "Crystal Growth" - международный журнал по росту кристаллов).

    С кристаллами  человечество познакомилось  в глубокой древности.  Связано это, в  первую очередь,  с их часто реализующейся  в природе способностью  самоограняться, т.  е. самопроизвольно  принимать форму  изумительных по  совершенству полиэдров.  Даже современный  человек, впервые  столкнувшись с  природными кристаллами,  чаще всего не  верит, что эти  многогранники не  являются делом  рук искусного  мастера. Форме кристаллов издавна придавалось магическое значение, о чём свидетельствуют некоторые археологические находки [1]. Упоминания о "кристалле" (по-видимому, всё-таки речь идёт о "хрустале") неоднократно встречаются в Библии (см., напр.: Откровение Иоанна, 21, 11; 32, 1, и др.). В среде математиков существует аргументированное мнение, что прототипами пяти правильных многогранников (тел Платона) послужили природные кристаллы. Многим архимедовым (полуправильным) многогранникам также имеются точные или очень близкие аналоги в мире кристаллов. А в прикладном искусстве древности иногда в качестве образцов для подражания использовались кристаллические многогранники, причём и такие, которые заведомо не рассматривались тогдашней наукой. Например, в Государственном Эрмитаже хранится нитка бус, форма которых с высокой точностью воспроизводит характерную форму кристаллов красивого полудрагоценного минерала граната. Бусины эти изготовлены из золота (предположительно, ближневосточная работа I-V вв. н. э.). Таким образом, кристаллы с давних пор оказывали заметное воздействие на основные сферы интересов человека: эмоциональную (религия, искусство), идеологическую (религия), интеллектуальную (наука, искусство).

3.2. Основные типы  кристаллических  решеток

    В твердых телах  атомы могут размещаться  в пространстве  двумя способами:1)Беспорядочное  расположение атомов, когда они не  занимают определенного  места друг относительно  друга. Такие тела  называются аморфными.2)Упорядоченное  расположение атомов, когда атомы занимают  в пространстве  вполне определенные  места, Такие вещества  называются кристаллическими.

    Атомы совершают  относительно своего  среднего положения  колебания с частотой  около 1013 Гц. Амплитуда  этих колебаний  пропорциональна  температуре.  Благодаря  упорядоченному расположению  атомов в пространстве, их центры можно  соединить воображаемыми  прямыми линиями.  Совокупность таких  пересекающихся линий  представляет пространственную  решетку, которую  называют кристаллической  решеткой.

     Внешние электронные  орбиты атомов  соприкасаются, так  что плотность  упаковки атомов  в кристаллической  решетке весьма  велика.       Кристаллические  твердые тела состоят  из кристаллических  зерен - кристаллитов. В соседних зернах  кристаллические  решетки повернуты  относительно друг  друга на некоторый  угол.  В кристаллитах  соблюдаются ближний  и дальний порядки.  Это означает наличие  упорядоченного расположения  и стабильности  как окружающих  данный атом ближайших  его соседей (ближний  порядок), так и  атомов, находящихся  от него на значительных  расстояниях вплоть  до границ зерен  (дальний порядок).

                                                                а)                                                           б)

Рис. 1.1. Расположение атомов в кристаллическом (а) и аморфном (б) веществе

    Вследствие диффузии  отдельные атомы  могут покидать  свои места в  узлах кристаллической  решетки, однако  при этом упорядоченность  кристаллического  строения в целом  не нарушается.

    Все металлы являются  кристаллическими  телами, имеющими  определенный тип  кристаллической  решетки, состоящей  из малоподвижных  положительно заряженных  ионов, между которыми  движутся свободные  электроны (так  называемый электронный  газ). Такой тип  структуры называется  металлической связью.  Тип решетки определяется  формой элементарного  геометрического  тела, многократное  повторение которого  по трем пространственным  осям образует  решетку данного  кристаллического  тела.