Взаимодействие частиц и состояния вещества

Вода и лёд состоят из молекул одного вещества. Почему вода растекается, а кусочек льда держит форму? Одного знания «частицы движутся» недостаточно: нужно выяснить, как они удерживают друг друга и могут ли менять соседей.

Почему кусочек мела не рассыпается сам, но и не сжимается до точки? Взаимодействие частиц даёт ответ на обе стороны вопроса. На небольших расстояниях притяжение помогает удерживать их рядом; при чрезмерном сближении резко усиливается отталкивание. Если мысленно убрать притяжение, трудно объяснить целостность тела. Если убрать сопротивление сближению, трудно объяснить его малую сжимаемость. В реальном веществе важны оба действия.

Нагретый металлический предмет всё ещё держит форму, хотя тепловое движение усилилось. Значит, движение частиц не обязательно означает их свободный бег по всему телу. В твёрдом состоянии частицы главным образом колеблются около устойчивых положений и трудно меняют соседей. Поэтому при небольших воздействиях тело сохраняет форму и объём. Это приближение описывает обычные условия; достаточно сильное воздействие может заметно деформировать тело.

Если твёрдое тело держит форму, обязаны ли его частицы стоять ровными рядами? Нет. В кристалле есть повторяющийся пространственный порядок, сохраняющийся на больших по сравнению с расстоянием между частицами участках. В аморфном твёрдом теле, например стекле, такого дальнего порядка нет. И кристалл, и стекло могут сохранять форму. Поэтому внешний признак «твёрдое» ещё не позволяет восстановить всё внутреннее устройство.

Перельём воду из узкого стакана в широкую миску. Число частиц не изменилось, а форма стала другой. В жидкости частицы расположены близко, поэтому сильно уменьшить объём трудно. Но они могут перемещаться и менять соседей, поэтому жидкость течёт. Она сохраняет приблизительно объём данной порции и принимает форму занятой части сосуда. Именно занятой части: немного воды не заполнит всю большую закрытую бутылку так, как это сделает газ.

Откроем перегородку между сосудом с воздухом и пустой соседней частью. Частицы газа, двигавшиеся к перегородке, теперь полетят дальше, и газ займёт весь доступный объём. В достаточно разреженном газе промежутки намного больше размеров частиц; между столкновениями они свободно перемещаются. Поэтому у газа нет собственной постоянной формы и объёма. Это модель разреженного газа: при сильном сжатии взаимодействиями между частицами уже нельзя пренебрегать так же легко.

Как сравнить порцию воды до и после переливания, если высота уровня меняется? Нужно измерять занимаемое пространство, а не одну высоту. Эту величину называют объёмом V; единица СИ — кубический метр, м³. При переливании воды без потерь её объём почти сохраняется, хотя уровень в широком сосуде ниже. Газ в большем доступном сосуде займёт больший объём при том же числе частиц: изменение объёма не обязательно означает добавление вещества.

Закроем носик шприца и надавим на поршень. С воздухом поршень заметно идёт внутрь: уменьшаются большие промежутки между частицами, сами частицы не нужно сжимать как губки. С водой ход почти незаметен: частицы уже близки, дальнейшее сближение встречает сильное отталкивание. Так одна модель объясняет разную сжимаемость. В школьных задачах жидкости и твёрдые тела часто считают несжимаемыми; в действительности их объём всё же немного меняется.

Почему поршень шприца с воздухом заметно продвигается, а с водой — почти нет?

В воздухе можно значительно уменьшить расстояния между частицами, не сжимая сами частицы.

В воде частицы уже расположены близко, и дальнейшее сближение встречает сильное сопротивление.

Воздух гораздо более сжимаем, чем вода.

Форма и сжимаемость зависят не только от движения частиц, но и от их взаимодействия и возможности менять соседей.

В жидкости частицы близки и могут перестраиваться; в разреженном газе они осваивают всё доступное пространство.

Сохранение формы не означает неподвижность частиц или обязательное кристаллическое строение.

Теперь перейдём от движения частиц к движению целых тел и выберем, относительно чего его описывать.