§ 220. Молекулярные силы

Если открыть кран в трубке, соединяющей вверху два баллона, один из которых наполнен газом, а другой — пустой, то часть газа из первого немедленно перейдет во второй. Вещество, находящееся в газовом состоянии, всегда полностью занимает предоставленный ему объем. Если же первый баллон будет наполнен (пустой) баллон не произойдет. Если пренебречь незначительным испарением, то и жидкость и твердое тело останутся  на своих местах.

Чем объясняется эта разница между поведением газов и жидкостей? Когда вещество находится в жидком состоянии, между его молекулами действуют силы, мешающие молекулам вещества разлетаться во все стороны. Будем называть эти силы молекулярными силами или силами сцепления. Весьма наглядно видно проявление сил сцепления, когда капельки дождя повисают на проводах или листьях и некоторое время не падают вниз (рис. 372). В этом случае силы сцепления не только мешают молекулам разлетаться во все стороны, но и уравновешивают силу тяжести, действующую на каплю.

Рис. 372. Повисшая капля воды удерживается от падения силами сцепления. Слишком тяжелая капля падает

В твердых телах, очевидно, тоже действуют силы сцепления, удерживающие молекулы друг около друга.

Почему же силы сцепления не проявляются в газах и парах? Мы знаем, что в газах и парах молекулы удалены друг от друга, вообще говоря, на значительно большее расстояние, чем молекулы в жидкостях и твердых телах. Естественно предположить, что силы сцепления быстро убывают с расстоянием и поэтому заметно действуют лишь на небольших расстояниях между молекулами; этим и объясняется, что они почти не проявляют себя в газах.

Это предположение может быть подкреплено следующими наблюдениями. Части стеклянного стакана прочно сцеплены между собой, и для их разъединения, т. е. для разрушения стакана, требуется значительная сила. Однако «стоит стакану разбиться — и разбитые части уже не взаимодействуют между собой, если их прикладывать друг к другу. Дело в том, что, прикладывая части разбитого стакана друг к другу, мы сближаем лишь ничтожное число молекул. Остальные молекулы остаются на расстоянии хотя и небольшом, однако достаточном для того, чтобы взаимодействие молекул было ничтожно малым. Но нагретые и вследствие этого размягченные куски стекла при соприкосновении слипаются. В этом случае сближается до достаточно малого расстояния большое число молекул и силы взаимодействия оказываются большими.

В случаях мягких материалов, применяя достаточные силы, можно привести в соприкосновение большое число молекул и при не совсем ровной поверхности. Это, например, можно сделать со свинцом. Если два свежесрезанных свинцовых бруска прижать друг к другу, то они слипаются так, что могут выдержать вес большой гири (рис. 373).

Рис. 373. Свинцовые бруски слипаются настолько сильно, что выдерживают тяжесть большой гири

Мы пришли к заключению, что молекулы жидкостей и твердых тел взаимно притягиваются. Однако это не объясняет нам всех свойств жидкостей и газов. В самом деле, жидкости и твердые тела гораздо труднее сжимаются, чем газы. Чтобы уменьшить их объем, например на 1%, жидкости (и твердые тела) нужно подвергнуть несравненна большему давлению, чем газы.

Чем же объяснить, что при сжатии жидкостей (и твердых тел) возникает громадное давление, препятствующее этому сжатию? Для объяснения этого факта мы должны предположить, что при уменьшении расстояния между молекулами жидкого или твердого тела между ними возникают большие силы отталкивания. На рис. 374 показана примерная зависимость силы взаимодействия  от расстояния между молекулами . Положительная сила соответствует отталкиванию молекул, отрицательная — притяжению молекул друг к другу. Расстояние  отвечает устойчивому равновесному (ненапряженному) состоянию тела. В этом состоянии . При отклонении  от значения  возникают силы, стремящиеся восстановить равновесное состояние. Из рисунка видно, что при смещении от значения  в сторону больших  между молекулами возникает сила притяжения, сначала резко возрастающая по модулю до значения , а затем постепенно убывающая по мере увеличения . При смещении от значения  в сторону меньших  возникает сила отталкивания, очень быстро возрастающая при уменьшении .

Рис. 374. Зависимость силы взаимодействия  молекул от расстояния  между ними

Вследствие теплового движения молекулы совершают малые колебания около равновесных положений, в процессе которых силы притяжения сменяются силами отталкивания и наоборот. Чтобы сжать жидкость (например, сдавить воду в цилиндре поршнем), нужно уменьшить средние расстояния между молекулами. При этом возникают все возрастающие силы отталкивания между молекулами, благодаря чему увеличивается давление жидкости на стенки сосуда. Мы видели, что у жидкостей ничтожное уменьшение объема связано с очень большим увеличением давления. Эти рассуждения можно отнести также и к твердым телам.

Средние расстояния между молекулами газов, находящихся при обычных условиях (комнатная температура, атмосферное давление) составляют десятки равновесных расстояний , вследствие чего силы притяжения между молекулами газа крайне малы. Поэтому молекулы газа разлетаются во все стороны вследствие молекулярного движения. Однако эти рассуждения неприменимы к сильно сжатым газам: в сжатых газах взаимодействие молекул сказывается заметно.