§11. Состояние вещества

Определения и обозначения

Состояние вещества — это вид, в котором существует вещество: твёрдый, жидкий или газообразный. Одно и то же вещество может переходить из одного состояния в другое. Например, вода бывает льдом, жидкой водой и водяным паром. Это понятие помогает отличать само вещество от его состояния и описывать его свойства.

Твёрдое тело — это тело, которое сохраняет собственные форму и объём. Камень не растекается по поверхности, а кусок льда не принимает форму стакана. Это свойство помогает узнать твёрдое состояние по тому, что тело остаётся примерно одинаковым при переносе. Оно не означает, что тело нельзя сломать или изменить.

Жидкость — это вещество, которое сохраняет объём, но принимает форму сосуда. Вода в стакане и вода в миске имеют разную форму, хотя количество воды может оставаться тем же. Определение помогает не путать форму жидкости с её объёмом. Жидкость может течь и переливаться, но не исчезает из-за смены сосуда.

Газ — это вещество, которое не сохраняет собственные форму и объём, а занимает доступное ему пространство. Воздух в комнате распространяется по комнате, а в закрытой бутылке — по всему её внутреннему объёму. Это понятие объясняет, почему газ нельзя увидеть как отдельный кусок с постоянными границами. Газ находится в сосуде, даже если его не видно.

Как это устроено

Вещества встречаются в твёрдом, жидком и газообразном состояниях. Например, вода при охлаждении может стать льдом, а при нагревании — водяным паром. В каждом случае вещество остаётся водой, но меняются его состояние и свойства. Поэтому, называя пример, важно определить не только вещество, но и то, в каком оно состоянии.

Чтобы объяснить различия, представим, что вещество состоит из очень маленьких частиц. Их расположение и движение влияют на то, как ведёт себя всё тело. В одних состояниях частицы удерживаются рядом и почти не меняют своего положения относительно соседей, а в других могут перемещаться. Чем свободнее движение частиц, тем легче веществу менять форму и распространяться.

В твёрдом теле частицы расположены близко и сохраняют положение относительно друг друга. Они не стоят совершенно неподвижно, а колеблются около своих мест. Поскольку частицы не могут свободно перемещаться по всему телу, оно не растекается и сохраняет форму. Близкое расположение частиц также помогает твёрдому телу сохранять объём.

В жидкости частицы тоже находятся близко, поэтому жидкость сохраняет объём. Но они могут перемещаться относительно соседей и менять своё расположение. Из-за этого части жидкости перетекают, и она принимает форму сосуда, а не сохраняет собственную форму. Так объясняется текучесть воды и других жидкостей.

В газе частицы находятся далеко друг от друга и движутся свободно в разных направлениях. Они распространяются по всему сосуду, поэтому газ заполняет всё пространство, а не остаётся в одном углу. Между частицами есть свободное место, и при надавливании их можно сблизить. Поэтому газ легко сжимается, тогда как жидкость сжать намного труднее.

Сравнение состояний вещества

Сначала сравни, сохраняет ли вещество собственную форму, затем проверь, остаётся ли его объём прежним. После этого посмотри на расположение и движение частиц: они помогают понять причину свойств. Пример в последнем столбце показывает состояние знакомого вещества.

Разбор задач

Задача 1. Определить состояние вещества у льда, воды и водяного пара. Нужно соотнести каждый пример с твёрдым, жидким или газообразным состоянием. Для этого проверим, как ведёт себя каждое из них, а не будем считать их разными веществами. У всех трёх примеров общее вещество — вода.

1. Лёд сохраняет собственную форму и объём, значит, это твёрдое состояние.
2. Вода течёт и принимает форму сосуда, сохраняя объём, значит, это жидкое состояние.
3. Водяной пар распространяется в доступном пространстве и не сохраняет собственные форму и объём, значит, это газообразное состояние.

Ответ: лёд — твёрдое состояние, вода — жидкое, водяной пар — газообразное. Сравнение свойств показывает, что состояния разные, хотя вещество одно. Так мы не путаем воду как вещество с её состоянием.

Задача 2. В стакан перелили воду в широкую миску. Что изменилось, а что осталось прежним? Здесь нужно отдельно рассмотреть форму и объём. Сосуд стал другим, поэтому внешний вид воды изменился. Но переливание само по себе не означает, что воды стало больше или меньше.

1. Сравним форму: в стакане вода была вытянута по его форме, а в миске растеклась шире.
2. Сравним объём: если ничего не пролили и не добавили, количество воды осталось тем же.
3. Сделаем вывод о состоянии: способность менять форму сосуда характерна для жидкости.

Ответ: форма воды изменилась, а её объём остался прежним. Это возможно потому, что частицы жидкости могут перемещаться друг относительно друга. Они позволяют воде течь, но расположены достаточно близко, чтобы сохранять объём.

Задача 3. В закрытом шприце с воздухом поршень можно немного сдвинуть, а с водой — почти нет. Объяснить различие. Шприц закрыт, поэтому содержимое не может выйти наружу. Сравним, что происходит с частицами воздуха и воды при нажатии на поршень. Именно расстояние между частицами объясняет разную сжимаемость.

1. В воздухе частицы находятся далеко друг от друга, между ними много свободного места.
2. При нажатии поршня частицы воздуха сближаются, поэтому газ удаётся сжать.
3. В воде частицы расположены близко, и свободного места между ними мало, поэтому сдвинуть поршень труднее.

Ответ: воздух в шприце сжимается, а вода — почти нет. Причина не в том, что частицы воды неподвижны, а в их близком расположении. Поэтому газ легче сжать, чем жидкость.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что жидкость сохраняет форму. Так думают, потому что вода в стакане выглядит как содержимое стакана и не всегда заметно течёт. Но жидкость сохраняет объём, а её форма зависит от сосуда. Проверь себя: перелей немного воды в другую посуду — форма изменится.

Ошибка: утверждать, что газ не имеет объёма. Газ невидим, поэтому кажется, будто его объёма нет. На самом деле он занимает всё доступное пространство: воздух есть во всём закрытом сосуде. Проверь себя, мысленно или на опыте наполнив газом закрытую ёмкость: газ не исчезает, а занимает её внутренний объём.

Ошибка: думать, что частицы твёрдого тела совсем не движутся. Их трудно представить в движении, потому что твёрдое тело сохраняет форму. Однако частицы колеблются около своих мест, хотя и не перемещаются свободно по всему телу. Проверь себя: различай колебание на месте и перемещение с одного места на другое.

Ошибка: путать вещество и состояние. Лёд и вода выглядят по-разному, поэтому можно принять их за разные вещества. Но это одно вещество — вода — в твёрдом и жидком состояниях. Проверь себя вопросом: изменилось ли само вещество или только его состояние?

Связь с другими темами

Ранее нужно было узнать, что тела состоят из веществ и что вещества обладают разными свойствами. Эти знания помогают описывать, из чего сделан предмет и как ведёт себя его материал. Теперь к свойствам можно добавить состояние вещества.

Представления о частицах пригодятся при изучении строения вещества. Расположение и движение частиц помогают не только назвать состояние, но и объяснить наблюдаемые свойства. Например, ими можно объяснить текучесть жидкости и сжимаемость газа.

Различия между состояниями связаны с превращениями веществ. При плавлении твёрдое вещество становится жидким, а при испарении жидкость превращается в газ. Понимание состояний помогает проследить, что меняется при таком превращении.

Что запомнить

• Вещество может находиться в разных состояниях.
• Твёрдое тело сохраняет форму и объём.
• Жидкость сохраняет объём, но принимает форму сосуда.
• Газ не сохраняет собственные форму и объём.
• Жидкости и газы способны течь.
• Различия состояний связаны с расположением и движением частиц.