§ 12. Изменение состояний вещества

Определения и обозначения

Агрегатное состояние вещества — одно из состояний, в которых вещество существует: твёрдое, жидкое или газообразное. Иначе говоря, это способ, которым частицы вещества расположены и движутся. Понятие помогает описывать, почему один и тот же материал может быть льдом, водой или водяным паром.

Плавление — переход вещества из твёрдого состояния в жидкое при нагревании. Например, лёд, получая тепло, превращается в воду. Это слово нужно, чтобы точно назвать переход от твёрдого тела к жидкости.

Отвердевание — переход вещества из жидкого состояния в твёрдое при охлаждении. Так вода при достаточно сильном охлаждении становится льдом. Понятие помогает описать обратный плавлению переход и понять, почему охлаждённая жидкость может стать твёрдой.

Испарение — переход жидкости в газ, а конденсация — переход газа в жидкость. Вода испаряется с поверхности лужи, а водяной пар может превратиться в капли на холодном стекле. Эти термины позволяют различать переходы между жидким и газообразным состояниями.

Как это устроено

Любое вещество состоит из крошечных частиц, хотя глазом их не увидеть. В твёрдом теле частицы находятся близко и сохраняют почти постоянное расположение, но не стоят совершенно неподвижно: они колеблются. В жидкости частицы тоже расположены рядом, однако могут менять соседей и перемещаться, поэтому жидкость течёт и принимает форму сосуда. В газе частицы далеко друг от друга и движутся свободно, из-за чего газ распространяется и заполняет доступное пространство.

Нагревание передаёт веществу тепло, и частицы начинают двигаться активнее. В твёрдом теле их колебания усиливаются, а при плавлении частицы получают возможность перемещаться относительно друг друга, как в жидкости. Поэтому кусок льда в тёплом месте тает: он получает тепло от воздуха и окружающих предметов. При этом вода не становится новым веществом — меняется только состояние.

При охлаждении частицы теряют часть энергии и движутся медленнее. В жидкости им становится труднее перемещаться, и при подходящих условиях они располагаются более упорядоченно, образуя твёрдое тело. Так вода может превратиться в лёд. Температура влияет на то, когда начинается этот переход: для разных веществ условия отвердевания различны, а для воды оно происходит при замерзании.

При испарении некоторые частицы у поверхности жидкости движутся достаточно быстро, чтобы покинуть её и перейти в газ. Поэтому жидкость постепенно исчезает даже тогда, когда она не кипит: например, высыхает лужа или мокрая ткань. Чем теплее, тем обычно быстрее движутся частицы и тем быстрее идёт испарение. Испарение происходит с поверхности, а не сразу во всём объёме жидкости.

Если газ или пар соприкасается с холодной поверхностью, его частицы теряют энергию и движутся медленнее. Они сближаются и могут образовать жидкие капли — происходит конденсация. Так появляются капли воды на холодном стекле или на внешней стороне охлаждённого стакана. Влага берётся из водяного пара в воздухе, а не просачивается сквозь стекло.

Состояния вещества и переходы между ними

Сначала найдите в таблице состояние или переход, который описан в задаче. Затем проследите, меняются ли условия: вещество нагревают или охлаждают, и куда переходят частицы. Пример в последнем столбце помогает проверить, правильно ли вы выбрали название явления.

Разбор задач

Задача 1. Лёд оставили в тёплой комнате. Назовите изменение состояния и объясните, что происходит с частицами. Сначала определим начальное состояние: лёд твёрдый. Затем учтём, что комната теплее льда, поэтому лёд получает тепло. Нужно назвать переход и описать движение частиц, а не говорить, что вода «появилась из ничего».

1. Сравниваем состояния: лёд твёрдый, а вода жидкая.
2. Проверяем направление изменения: тёплый воздух нагревает лёд.
3. Называем переход твёрдого вещества в жидкое — плавление.
4. Объясняем причину: частицы начинают двигаться активнее и могут перемещаться относительно друг друга.

Ответ: лёд плавится и становится жидкой водой. Частицы получают тепло, их движение усиливается, поэтому они уже не только колеблются около постоянных мест.

Задача 2. На холодном стекле появились капли воды. Откуда они взялись и какое изменение состояния произошло? Стекло холодное, а воздух вокруг содержит водяной пар. Сначала установим, из какого состояния получились капли, и затем учтём, что происходило с паром у холодной поверхности. Это поможет не спутать конденсацию с испарением.

1. Капли — это жидкая вода, а в воздухе вода была газообразным паром.
2. У стекла пар охлаждается и его частицы движутся медленнее.
3. Частицы сближаются, образуя жидкость; газ переходит в жидкое состояние.
4. Называем этот переход конденсацией.

Ответ: капли образовались из водяного пара в воздухе. При охлаждении пара на стекле произошла конденсация.

Задача 3. Мокрая ткань сохнет на воздухе, а вода в чайнике кипит. Где происходит испарение и чем оно отличается от кипения? В обоих случаях часть воды переходит в газ, но условия и место образования пара разные. Нужно определить, где вода находится и как распространяется переход. Сравнение этих признаков позволит дать точный ответ.

1. В ткани вода постепенно уходит с её поверхности в воздух.
2. Такой переход жидкости в газ с поверхности называется испарением; он возможен и без кипения.
3. В чайнике при кипении пар образуется во всём объёме жидкости, появляются пузырьки.
4. Значит, высыхание ткани связано с испарением, а кипение — отдельное явление, при котором жидкость превращается в пар во всём объёме.

Ответ: ткань сохнет благодаря испарению с поверхности воды. При кипении пар образуется во всём объёме жидкости, поэтому испарение и кипение нельзя считать одним и тем же.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что испарение происходит только при кипении. Так можно подумать, потому что при кипении хорошо заметны пузырьки и пар. Но жидкость испаряется с поверхности и при более низкой температуре, например из лужи. Проверьте себя: если вода постепенно исчезает без кипения, это тоже испарение.

Ошибка: путать испарение с кипением. Оба явления связаны с переходом жидкости в газ, поэтому их легко смешать. Различайте место перехода: при испарении пар появляется с поверхности, а при кипении — во всём объёме жидкости. Чтобы проверить ответ, спросите себя, образуются ли пузырьки внутри жидкости.

Ошибка: называть появление капель на холодной поверхности испарением. Капли — это жидкость, а до этого вода находилась в воздухе в виде пара. Когда пар охлаждается и становится жидкостью, происходит конденсация. Проверьте направление перехода: газ в жидкость — это конденсация, жидкость в газ — испарение.

Ошибка: считать, что при изменении состояния вещество становится другим. Внешний вид воды меняется, поэтому кажется, будто лёд и пар — разные вещества. На самом деле меняются расположение и движение частиц, а состав остаётся прежним. Проверить себя можно на примере: лёд, вода и водяной пар — всё это вода в разных состояниях.

Связь с другими темами

Чтобы понять переходы между состояниями, нужно знать, что вещества состоят из частиц, а нагревание и охлаждение меняют их движение. Эти представления связывают свойства твёрдых тел, жидкостей и газов с тем, как ведут себя их частицы. Они помогают объяснять не только смену состояния, но и другие тепловые явления.

Знание испарения и конденсации пригодится при изучении круговорота воды в природе и погоды. Вода испаряется, водяной пар перемещается в воздухе, а при охлаждении образуются капли, из которых могут появиться облака и осадки. Так изменения состояния помогают понять природные процессы вокруг нас.

Что запомнить

• Вещества могут находиться в твёрдом, жидком и газообразном состояниях.
• При плавлении твёрдое вещество становится жидкостью.
• При отвердевании жидкость становится твёрдым телом.
• Испарение — переход жидкости в газ с её поверхности.
• Кипение происходит во всём объёме жидкости.
• При конденсации газ переходит в жидкость.