Дальнодействующие силы
Дальнодействующие силы ffar обратно пропорциональны квадрату расстояния между взаимодействующими частицами, т.е. их модуль ffar представляется в виде
ffar = α r–2,
где r – вектор, проведенный из первой частицы во вторую, r – модуль этого вектора, α – числовой коэффициент.
В случае газа, состоящего из электрически нейтральных частиц, единственной дальнодействующей силой является гравитация, для которой вектор ffar коллинеарен вектору r, т.е.
ffar = α r r–3= α s r–2,
где s = r / r.
При увеличении в два раза расстояния между частицами дальнодействующая сила уменьшается всего в четыре раза и остаётся сопоставимой с первоначальной. Поэтому каждая частица ощущает влияние не только самых близких соседей (микрополя), но всей совокупности более далёких частиц (макрополя).
Макрополя в газовой среде
Суммарная сила fs, с которой действуют на некоторую фиксированную частицу газа P другие частицы, расположенные в данный момент времени по отношению к P внутри малого телесного угла dΩ вокруг вектора s, представляется в виде интеграла
fs = dΩ ∫ n (r) ffar(r) r2 dr= α s dΩ ∫ n (r) dr,
где dΩ = sinθ dθ dφ – элемент телесного угла.
Если плотность n числа частиц постоянна, то в элементе объёма находятся в каждый фиксированный момент времени
dN = n dV = n r2 dr dΩ
частиц, действующих на P с независящей от расстояния r суммарной силой
dF = α r–2 dN = α n dr dΩ.
Дальнодействующие усилия порождают силовые поля, отражающие интегральный эффект большого числа частиц, т.е. имеют закономерный, сглаженный характер.
Близкодействующие усилия
Силы взаимодействия между электрически нейтральными атомами и молекулами сводятся в конечном счёте к взаимодействию электрических диполей.
Ближнее взаимодействие в газах, называемое столкновением, вызывается силами, обратно пропорциональными степеням расстояния выше второй. Ван-дер-ваальсовские силы, возникающие между двумя электрическими нейтральными атомами или молекулами, когда расстояние d между ними становится соизмеримым с эффективным диаметром частицы d*, убывают как d–7.
Основу атмосфер Земли и других планет Солнечной системы составляет сравнительно небольшое число химических элементов: водород, гелий, углерод, азот, кислород.
«Размер» газовых частиц, обладающих существенно квантовыми свойствами, не может быть точно определён в силу принципа неопределённости Гейзенберга. Поэтому о величинах «диаметров» d* частиц мы можем говорить только сточностью до порядка величины. В кристаллохимии и структурной химии используется более определённое понятие Ван-дер-Ваальсова диаметра или радиуса.
Для атома водорода приближённая оценка даёт d* ≈ 10–10 м. Размер молекулы водорода H2 имеет тот же порядок величины, а молекул азота N2 и кислорода O2 d* ≈ 10–9 м.
Ближнее взаимодействие имеет существенно квантовомеханический характер, скорости частиц после столкновения принимают случайные значения и единственными достоверно сохраняющимися величинами являются суммарный импульс и суммарная энергия взаимодействующих частиц, в которой учитываются внутренние степени свободы молекул и атомов.
Дата последних изменений: 2008-12-15