§ 31. Три состояния вещества. Особенности теплового движения частиц в газах, жидкостях и твёрдых телах

Определения и обозначения

Агрегатное состояние вещества — состояние вещества, определяемое характером движения и расположения его частиц. Проще говоря, это способ, которым частицы вещества размещены и ведут себя по отношению друг к другу. Понятие помогает объяснить, почему вещество бывает газом, жидкостью или твёрдым телом.

Тепловое движение — непрерывное беспорядочное движение частиц вещества, связанное с температурой. Частицы движутся в разных направлениях, а их движение не прекращается просто потому, что тело выглядит неподвижным. Это понятие нужно, чтобы объяснять свойства веществ и тепловые явления.

Газ — состояние вещества, в котором частицы находятся далеко друг от друга и слабо связаны. Они могут перемещаться почти свободно, поэтому газ распространяется по всему доступному пространству. Это определение помогает понять, почему газ не имеет собственной формы и легко сжимается.

Жидкость и твёрдое тело — состояния, различающиеся подвижностью частиц, сохранением формы и расстояниями между частицами. В жидкости частицы близко расположены, но могут перемещаться относительно друг друга; в твёрдом теле они колеблются около определённых положений. Такое сравнение нужно, чтобы связать устройство вещества с его поведением.

Как это устроено

Все вещества состоят из очень маленьких частиц, которые находятся в постоянном движении. Это движение называют тепловым, потому что с ним связана температура вещества. Когда мы говорим, что неподвижный предмет покоится, то имеем в виду его движение целиком, а не движение каждой частицы внутри него. Поэтому внешняя неподвижность тела не означает остановки его частиц.

Частицы притягиваются и отталкиваются друг от друга, то есть взаимодействуют. Расстояния между ними и сила этого взаимодействия отличаются в разных состояниях вещества. Если частицы расположены далеко, они могут двигаться свободнее; если близко и сильно удерживают друг друга, перемещать их труднее. Именно сочетание расстояний, взаимодействия и подвижности определяет, как вещество сохраняет форму и объём.

В газе расстояния между частицами велики по сравнению с размерами самих частиц, а связь между ними слабая. Поэтому частицы перемещаются в разных направлениях и могут разлетаться по всему доступному пространству. Газ принимает форму сосуда и занимает весь его объём, а при сжатии частицы можно сблизить. Взаимодействие между ними не исчезает совсем, но обычно оно гораздо слабее, чем в жидкости или твёрдом теле.

В жидкости частицы расположены близко, поэтому жидкость сохраняет почти постоянный объём и её трудно сжать. Однако частицы не закреплены навсегда в одном положении: они могут перемещаться относительно соседних частиц. Благодаря такой подвижности жидкость течёт и принимает форму сосуда. Значит, её объём остаётся собственным, а форма зависит от того, куда налита жидкость.

В твёрдом теле частицы расположены близко и взаимодействуют так, что удерживаются около определённых положений. Они не стоят неподвижно, а непрерывно колеблются около этих положений. Частицы не перемещаются по всему телу так же свободно, как в жидкости или газе, поэтому твёрдое тело сохраняет собственную форму. Близкое расположение частиц также объясняет, почему оно сохраняет объём и трудно сжимается.

Сравнение трёх состояний вещества

Сначала сравни расположение частиц и характер их движения, а затем проверь, какие свойства из этого следуют. Например, свободное движение частиц газа объясняет, почему он заполняет сосуд. Близкое расположение частиц жидкости и твёрдого тела помогает понять, почему оба состояния сохраняют объём, но форма у них различается.

Разбор задач

1. Состояние вещества по форме и объёму

Условие. Вещество сохраняет объём, но принимает форму сосуда. Нужно определить, в каком состоянии оно находится. Чтобы решить задачу, сопоставим оба признака с особенностями газа, жидкости и твёрдого тела.

1. Сначала проверим сохранение объёма: газ обычно занимает весь объём сосуда, а жидкость сохраняет свой объём.
2. Затем проверим форму: твёрдое тело имеет собственную форму, а жидкость принимает форму сосуда.
3. Одновременное сочетание «объём сохраняет, форму не сохраняет» указывает на жидкость.

Ответ: вещество находится в жидком состоянии. Решение основано на двух признаках сразу, поэтому одного лишь наблюдения за формой было бы недостаточно. При определении состояния полезно проверять и форму, и объём.

2. Сжимаемость воздуха и воды

Условие. Объяснить, почему воздух можно сжать, а воду в обычных условиях почти невозможно. В задаче требуется не просто назвать разницу, а связать её с устройством вещества. Сравним расстояния между частицами в газе и жидкости.

1. Воздух — газ, его частицы находятся далеко друг от друга, поэтому между ними есть значительные промежутки.
2. При сжатии частицы газа можно сблизить, уменьшив эти промежутки, и объём воздуха становится меньше.
3. В воде частицы уже расположены близко, поэтому заметно сблизить их обычным сжатием почти не удаётся.

Ответ: воздух сжимается благодаря большим промежуткам между частицами, а вода почти не сжимается из-за их близкого расположения. Этот способ рассуждения подходит и для сравнения других газов с жидкостями. Нужно помнить, что речь идёт о сжатии в обычных условиях.

3. Определение твёрдого тела по движению частиц

Условие. Частицы расположены близко, не покидают определённых положений и лишь колеблются около них. Требуется определить состояние вещества и объяснить вывод. Главный признак здесь — не только близость частиц, но и то, как они движутся.

1. Близкое расположение частиц возможно и в жидкости, и в твёрдом теле, поэтому само по себе оно не даёт ответа.
2. Если частицы не перемещаются свободно, а колеблются около определённых положений, это характерно для твёрдого тела.
3. Удерживание частиц около этих положений позволяет телу сохранять собственную форму и объём.

Ответ: описано твёрдое тело. Его частицы не неподвижны, но их колебания не приводят к свободному перемещению по всему телу. Поэтому такой материал сохраняет форму и объём.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что частицы в твёрдом теле неподвижны. Так думают, потому что сам предмет часто не меняет форму и не перемещается. Проверь себя: если температура не равна абсолютному нулю, частицы совершают тепловые колебания, хотя тело в целом может покоиться.

Ошибка — утверждать, что жидкость не имеет объёма. Её форма меняется при переливании, поэтому легко сделать неверный вывод и об объёме. Проверь себя, сравнив количество жидкости до и после переливания: она принимает форму сосуда, но сохраняет свой объём.

Ошибка — считать, что между частицами газа совсем нет взаимодействия. Большие промежутки и свободное движение могут создать такое впечатление, но связь между частицами не исчезает полностью. Проверь себя: правильнее говорить, что взаимодействие в газе слабое по сравнению с жидкостью и твёрдым телом.

Ошибка — путать движение тела целиком с движением его частиц. Если предмет лежит на столе, он не перемещается как единое целое, но частицы внутри продолжают двигаться. Чтобы проверить рассуждение, уточни, о каком движении говорится: всего тела или его частиц.

Связь с другими темами

Для изучения трёх состояний вещества нужны основные представления о молекулярном строении: тела состоят из частиц, которые взаимодействуют и движутся. Понятие температуры помогает связать тепловое движение с состоянием вещества. Эти знания пригодятся при изучении давления газа и явлений, при которых одно состояние вещества переходит в другое: испарения, кипения, плавления и конденсации.

Представления о частицах помогают объяснять, почему происходят тепловые явления, а также как устроены тепловые машины. В дальнейшем можно будет связывать наблюдаемую работу устройства с передачей и использованием энергии. Поэтому модель движения частиц нужна не только для описания отдельных веществ, но и для понимания физических процессов вокруг нас.

Что запомнить

• Любое вещество состоит из частиц, находящихся в непрерывном тепловом движении.
• В газах частицы расположены далеко друг от друга и движутся почти свободно.
• Газ не сохраняет ни форму, ни объём.
• Жидкость сохраняет объём, но не сохраняет форму.
• В твёрдом теле частицы колеблются около определённых положений.
• Твёрдое тело сохраняет форму и объём.
• Свойства вещества зависят от расстояний между частицами и силы их взаимодействия.