Номер 3, страница 48 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Глава 2. Основы молекулярно-кинетической теории. Параграф 2.6. Строение газообразных, жидких и твёрдых тел - номер 3, страница 48.

Условие.

3. Изобразите и объясните «потенциальные кривые» для различных агрегатных состояний.

Решение.

Потенциальная кривая описывает зависимость потенциальной энергии $E_p$ взаимодействия двух частиц (атомов или молекул) от расстояния $\text{r}$ между ними. Эта кривая является результатом сложения сил межмолекулярного притяжения (действуют на относительно больших расстояниях) и сил отталкивания (проявляются на очень малых расстояниях).

Изобразить эту кривую можно в виде графика, где по оси абсцисс откладывается расстояние $\text{r}$, а по оси ординат — потенциальная энергия $E_p$.

• При очень малых расстояниях ($\text{r}$), когда электронные оболочки атомов перекрываются, преобладают силы отталкивания, и потенциальная энергия резко возрастает, уходя в положительную бесконечность.
• С увеличением расстояния кривая опускается, пересекает ось абсцисс и достигает минимального значения $E_{min}$ при некотором равновесном расстоянии $r_0$. Эта область называется «потенциальной ямой». Глубина ямы $|E_{min}|$ характеризует энергию связи частиц. В точке $r_0$ силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг друга.
• При дальнейшем увеличении расстояния ($r > r_0$) силы притяжения ослабевают, и потенциальная энергия плавно стремится к нулю.

Свойства различных агрегатных состояний вещества объясняются соотношением между средней кинетической энергией теплового движения частиц $E_k$ (которая пропорциональна абсолютной температуре $\text{T}$) и глубиной потенциальной ямы $|E_{min}|$.

Твердое состояние. В твердых телах средняя кинетическая энергия частиц значительно меньше глубины потенциальной ямы: $E_k \ll |E_{min}|$. Частицы не могут преодолеть силы притяжения и «заперты» на дне потенциальной ямы. Они совершают лишь небольшие колебательные движения около своих положений равновесия ($r \approx r_0$), которые образуют кристаллическую решетку. Это объясняет способность твердых тел сохранять свою форму и объем.

Жидкое состояние. В жидкостях средняя кинетическая энергия частиц сравнима с глубиной потенциальной ямы: $E_k \approx |E_{min}|$. Частицы все еще связаны силами притяжения и находятся близко друг к другу, что обеспечивает сохранение объема. Однако их энергии уже достаточно, чтобы перескакивать из одного положения равновесия в другое, перемещаясь по всему объему жидкости. Это обусловливает текучесть жидкостей и их способность принимать форму сосуда.

Газообразное состояние. В газах средняя кинетическая энергия частиц намного больше глубины потенциальной ямы: $E_k \gg |E_{min}|$. Энергия частиц настолько велика, что силы межмолекулярного притяжения не могут удержать их вместе. Частицы движутся хаотично и практически свободно, среднее расстояние между ними значительно превышает $r_0$. Они заполняют весь предоставленный им объем. Взаимодействие происходит только во время коротких столкновений.

Ответ: Потенциальная кривая, отражающая зависимость энергии взаимодействия частиц от расстояния, позволяет объяснить свойства агрегатных состояний через соотношение средней кинетической энергии частиц $E_k$ и энергии связи (глубины потенциальной ямы) $|E_{min}|$. В твердых телах ($E_k \ll |E_{min}|$) частицы колеблются около фиксированных положений. В жидкостях ($E_k \approx |E_{min}|$) частицы могут перемещаться друг относительно друга, но остаются связанными. В газах ($E_k \gg |E_{min}|$) частицы движутся почти свободно, занимая весь доступный объем.