2.4 Η δύναμη και οι καταστάσεις της ύλης

Τα υλικά σώματα που συναντάμε γύρω μας εμφανίζονται σε τρεις κυρίως καταστάσεις: στερεή - υγρή - αέρια.

Τα υγρά και τα αέρια σώματα ονομάζονται και ρευστά.

Σήμερα είναι γνωστό ότι υπάρχουν και άλλες καταστάσεις της ύλης, όπως π.χ. το πλάσμα (βλ. κεφ. 7).

Για να ερμηνεύουν τις καταστάσεις των σωμάτων, οι επιστήμονες επινόησαν το εξής μοντέλο: Θεώρησαν ότι τα άτομα και τα μόρια, από τα οποία αποτελούνται τα υλικά σώματα, μοιάζουν με μικρές σφαιρικές μπάλες. Μεταξύ των μορίων ή των ατόμων ασκούνται δυνάμεις πεδίου. Εξαιτίας αυτών των δυνάμεων τα μόρια και τα άτομα έρχονται κοντά το ένα στο άλλο. Όταν όμως τα μόρια ή τα άτομα πλησιάσουν σε κάποια απόσταση, οι δυνάμεις αυτές γίνονται απωστικές. Με την επίδραση λοιπόν των αρχικών ελκτικών δυνάμεων και στη συνέχεια των απωστικών μελετώνται οι καταστάσεις της ύλης.

Εικόνα 2.10 Ελκτικές και απωστικές δυνάμεις μεταξύ των μορίων

(Είναι προφανές ότι οι παραπάνω εικόνες αποτελούν μεγεθυσμένη αναπαράσταση των δύο ατόμων).

Οι ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των μορίων ή των ατόμων ονομάζονται δυνάμεις συνοχής, όταν ασκούνται σε μόρια η άτομα του ίδιου σώματος, π.χ. μεταξύ των μορίων του πάγου. Οι δυνάμεις που ασκούνται μεταξύ μορίων η ατόμων διαφορετικών σωμάτων ονομάζονται δυνάμεις συνάφειας, π.χ. του πίνακα και της κιμωλίας, όταν γράφουμε στον πίνακα. Οι δυνάμεις συνάφειας εξαρτώνται από το ζεύγος των σωμάτων μεταξύ των οποίων ασκούνται.

Εικόνα 2.11 Διάταξη των μορίων του Η2Ο στον πάγο (κάτω τμήμα της εικόνας), στο νερό (μεσαίο τμήμα) και στους υδρατμούς (άνω τμήμα)

Το μέγεθος των δυνάμεων συνοχής για κάθε σώμα μεταβάλλεται, όταν αυτό μεταβαίνει από τη μια κατάσταση στην άλλη.

Συγκεκριμένα, σε ένα κομμάτι πάγου οι δυνάμεις συνοχής είναι πολύ μεγάλες και αυτό το διαπιστώνει κανείς, όταν προσπαθεί να σπάσει ένα παγάκι. Οι δυνάμεις συνοχής είναι πολύ μικρότερες, όταν το παγάκι λιώσει, αλλά ουσιαστικά συνεχίζουν να υπάρχουν, αφού τα μόρια του νερού βρίσκονται πάλι το ένα κοντά στο άλλο. Όταν το νερό εξατμιστεί και δημιουργηθούν οι υδρατμοί, αυτοί κατευθύνονται σε όλο το χώρο, επειδή οι δυνάμεις μεταξύ των μορίων τους είναι μηδαμινές.

Εξαιτίας του διαφορετικού μεγέθους των δυνάμεων συνοχής τα μόρια των στερεών σωμάτων έχουν συγκεκριμένες θέσεις, αν και ταλαντώνονται γύρω από αυτές, ενώ τα μόρια των υγρών και των αερίων σωμάτων (ρευστών) κινούνται εύκολα το ένα σε σχέση με το άλλο.

Εικόνα 2.12 Η διάταξη των μορίων στις τρεις καταστάσεις της ύλης

Για το λόγο αυτό τα στερεά θεωρούνται σώματα που έχουν δομή και συγκεκριμένο σχήμα, ενώ τα ρευστά θεωρούνται σώματα με ακανόνιστη δομή. Τα υγρά έχουν κάποια υποτυπώδη δομή, γι' αυτό έχουν συγκεκριμένο όγκο αλλά όχι σχήμα, αφού παίρνουν το σχήμα του δοχείου που τα περιέχει. Τα αέρια έχουν τέλεια έλλειψη δομής και γι' αυτό ο όγκος τους εξαρτάται από το χώρο που τους διατίθεται.

Εικόνα 2.13 Κινήσεις των μορίων στα ρευστά: (α) σε υγρό, (β) σε αέριο

Η συμπεριφορά των υλικών σωμάτων, η δομή, η αντοχή και το σχήμα τους, ανάλογα με την επίδραση διάφορων δυνάμεων, παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον. Στα θέματα αυτά θα γίνει αναφορά στο κεφάλαιο 7 και σε αντίστοιχα κεφάλαια των μαθημάτων ειδικότητας.