อันตรกิริยาระหว่างอนุภาคและสถานะของสาร

น้ำกับน้ำแข็งประกอบด้วยโมเลกุลของสารชนิดเดียวกัน เหตุใดน้ำจึงไหลแผ่ออก แต่น้ำแข็งคงรูป? การรู้เพียงว่า “อนุภาคเคลื่อนที่” ยังไม่พอ เราต้องรู้ว่าอนุภาคยึดกันอย่างไร และเปลี่ยนอนุภาคข้างเคียงได้หรือไม่

เหตุใดชอล์กจึงไม่แตกกระจายเอง และไม่ยุบเหลือเพียงจุด? อันตรกิริยาระหว่างอนุภาคอธิบายได้ทั้งสองด้าน เมื่ออยู่ใกล้กัน แรงดึงดูดช่วยยึดอนุภาคไว้ แต่เมื่อเข้าใกล้เกินไป แรงผลักจะเพิ่มอย่างรวดเร็ว หากตัดแรงดึงดูดออก ก็อธิบายได้ยากว่าวัตถุอยู่รวมกันอย่างไร หากตัดการต้านการเข้าใกล้ออก ก็อธิบายการอัดตัวได้น้อยได้ยาก สารจริงต้องพิจารณาทั้งสองผล

วัตถุโลหะที่ร้อนขึ้นยังคงรูปได้ แม้การเคลื่อนที่เนื่องจากความร้อนเพิ่มขึ้น แสดงว่าการเคลื่อนที่ของอนุภาคไม่จำเป็นต้องเป็นการเคลื่อนอย่างอิสระทั่วทั้งวัตถุ ในของแข็ง อนุภาคส่วนใหญ่สั่นรอบตำแหน่งที่เสถียรและเปลี่ยนเพื่อนบ้านได้ยาก เมื่อถูกรบกวนเล็กน้อย วัตถุจึงคงรูปร่างกับปริมาตร แบบจำลองนี้ใช้อธิบายสภาวะทั่วไป หากแรงกระทำมากพอ วัตถุก็เปลี่ยนรูปได้ชัดเจน

ของแข็งคงรูปได้เพราะอนุภาคต้องเรียงเป็นแถวเสมอหรือ? ไม่เสมอไป ผลึกมีแบบการเรียงตัวซ้ำในอวกาศต่อเนื่องไปไกลเมื่อเทียบกับระยะระหว่างอนุภาค ของแข็งอสัณฐาน เช่น แก้ว ไม่มีระเบียบระยะไกลเช่นนั้น แต่ทั้งผลึกและแก้วยังคงรูปได้ ลักษณะภายนอกว่า “เป็นของแข็ง” จึงยังบอกโครงสร้างภายในทั้งหมดไม่ได้

เทน้ำจากแก้วแคบลงในชามกว้าง จำนวนอนุภาคเท่าเดิมแต่รูปร่างเปลี่ยน อนุภาคของเหลวอยู่ใกล้กัน จึงลดปริมาตรลงมากได้ยาก แต่อนุภาคเคลื่อนย้ายและเปลี่ยนเพื่อนบ้านได้ ของเหลวจึงไหล ของเหลวปริมาณเดิมมีปริมาตรเกือบคงที่ และมีรูปร่างตามส่วนของภาชนะที่มันอยู่ ต้องเน้นว่าเฉพาะส่วนที่มันอยู่: น้ำเล็กน้อยไม่ขยายเต็มขวดปิดขนาดใหญ่เหมือนแก๊ส

เปิดผนังกั้นระหว่างส่วนที่มีอากาศกับส่วนว่างข้างกัน อนุภาคแก๊สที่เคลื่อนเข้าหาผนังเดิมจะผ่านต่อไปได้ และแก๊สจะกระจายทั่วปริมาตรที่เข้าถึงได้ ในแก๊สที่เจือจางพอ ช่องว่างใหญ่กว่าขนาดอนุภาคมาก อนุภาคเคลื่อนที่ได้อิสระระหว่างการชน แก๊สจึงไม่มีรูปร่างหรือปริมาตรคงที่ของตัวเอง นี่เป็นแบบจำลองแก๊สเจือจาง เมื่ออัดมาก ๆ จะละเลยอันตรกิริยาระหว่างอนุภาคได้ยากขึ้น

จะเปรียบเทียบน้ำก่อนและหลังเทอย่างไร ถ้าระดับน้ำเปลี่ยน? ต้องวัดเนื้อที่ในสามมิติที่น้ำครอบครอง ไม่ใช่เพียงความสูง ปริมาณนี้เรียกว่า ปริมาตร V หน่วย SI คือลูกบาศก์เมตร м³ เมื่อเทน้ำโดยไม่สูญเสีย ปริมาตรเกือบคงเดิมแม้ระดับในภาชนะกว้างจะต่ำกว่า ส่วนแก๊สที่มีจำนวนอนุภาคเท่าเดิมจะครอบครองปริมาตรที่เข้าถึงได้มากขึ้นในภาชนะใหญ่ขึ้น ดังนั้นปริมาตรที่เปลี่ยนไม่จำเป็นต้องเกิดจากการเติมสาร

ปิดปลายกระบอกฉีดยาแล้วกดลูกสูบ ถ้าข้างในเป็นอากาศ ลูกสูบเลื่อนเข้าได้ชัดเจน เพราะช่องว่างใหญ่ระหว่างอนุภาคลดลง ไม่ต้องบีบอนุภาคเองเหมือนฟองน้ำ ถ้าเป็นน้ำ ลูกสูบแทบไม่เลื่อน เพราะอนุภาคอยู่ใกล้กันแล้ว และแรงผลักต้านการเข้าใกล้มากขึ้น แบบจำลองเดียวจึงอธิบายการอัดตัวที่ต่างกันได้ โจทย์ระดับโรงเรียนมักถือว่าของเหลวกับของแข็งอัดตัวไม่ได้ แต่ปริมาตรจริงยังเปลี่ยนเล็กน้อย

เหตุใดลูกสูบของกระบอกฉีดยาที่มีอากาศจึงเลื่อนได้ชัดเจน แต่ถ้ามีน้ำกลับแทบไม่เลื่อน?

ในอากาศ ลดระยะระหว่างอนุภาคลงได้มากโดยไม่ต้องบีบตัวอนุภาค

อนุภาคในน้ำอยู่ใกล้กันแล้ว การเข้าใกล้มากกว่านี้พบแรงต้านมาก

อากาศอัดตัวได้มากกว่าน้ำมาก

รูปร่างและการอัดตัวขึ้นกับการเคลื่อนที่ อันตรกิริยา และความสามารถในการเปลี่ยนเพื่อนบ้านของอนุภาค

อนุภาคของเหลวอยู่ใกล้กันและจัดเรียงใหม่ได้ ส่วนในแก๊สเจือจาง อนุภาคกระจายทั่วบริเวณที่เข้าถึงได้

การคงรูปไม่ได้แปลว่าอนุภาคหยุดนิ่ง หรือต้องมีโครงสร้างผลึกเสมอ

ต่อไปเราจะเปลี่ยนจากการเคลื่อนที่ของอนุภาคเป็นการเคลื่อนที่ของวัตถุทั้งชิ้น และเลือกสิ่งที่ใช้อ้างอิงการเคลื่อนที่