42. Агрегатные состояния вещества

Определения и обозначения

Агрегатное состояние вещества — состояние, различающееся характером движения и взаимодействия частиц, а также наблюдаемыми свойствами вещества. К таким состояниям в школьной физике относят твёрдое, жидкое и газообразное. Это понятие связывает устройство вещества на уровне частиц с тем, что мы видим и измеряем.

Твёрдое тело сохраняет собственные форму и объём, а его частицы колеблются около устойчивых положений. Устойчивое положение — место, возле которого частица совершает колебания, не удаляясь далеко от соседей. Это помогает понять, почему тело не растекается и не принимает форму сосуда.

Жидкость сохраняет объём, но принимает форму сосуда, в который её налили. Её частицы расположены близко, однако могут перемещаться относительно друг друга. Такое определение позволяет отличить жидкость от твёрдого тела по форме, а от газа — по сохранению объёма.

Газ не сохраняет ни форму, ни объём и занимает всё доступное пространство. Расстояния между его частицами велики по сравнению с размерами самих частиц. Поэтому газ может сильно сжиматься: при уменьшении объёма частицы сближаются, а промежутки между ними становятся меньше.

Как это устроено

Различия между состояниями объясняются соотношением кинетической энергии хаотического движения частиц и энергии их взаимодействия. Кинетическая энергия связана с движением, а взаимодействие влияет на то, насколько частицы удерживаются рядом. Когда взаимодействие ограничивает перемещение, вещество ведёт себя как твёрдое тело; когда частицы могут смещаться, но остаются близко, возникает поведение жидкости. В газе частицы обычно разделены большими промежутками и свободно перемещаются по объёму.

Частицы твёрдого тела сохраняют устойчивое расположение не потому, что они неподвижны. Они непрерывно колеблются, но взаимодействие с соседями удерживает их около определённых мест. Чтобы частицы покинули такие положения и переместились далеко, нужно изменить условия движения вещества. Поэтому колебания сами по себе не разрушают форму тела.

В жидкости частицы остаются близко друг к другу, и взаимодействие между ними не даёт веществу свободно разойтись по всему сосуду. Но это взаимодействие не фиксирует каждую частицу в одном устойчивом положении: частицы могут перемещаться и менять соседей. В результате жидкость течёт под действием силы тяжести или давления и принимает форму сосуда, сохраняя при этом свой объём.

В газе расстояния между частицами значительно больше их размеров, а частицы движутся хаотично и сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда. Их движение распространяет газ по всему предоставленному пространству, поэтому газ не сохраняет собственную форму и объём. Большие промежутки позволяют сблизить частицы при сжатии, отчего газ легко сжимается по сравнению с жидкостью и твёрдым телом.

Макроскопические свойства вещества — это свойства, которые можно наблюдать у образца целиком, например форма, объём и текучесть. Они зависят от того, где расположены частицы и как они движутся. Если частицы удерживаются возле устойчивых мест, тело сохраняет форму; если могут смещаться, вещество течёт; если свободно занимают большое пространство, газ заполняет сосуд. Так модель частиц помогает объяснить наблюдаемые свойства, а не просто перечислить их.

Сравнение агрегатных состояний вещества

Сравнивайте состояния по всей строке, а не по одному случайному признаку: например, сохранение объёма отличает жидкость и твёрдое тело от газа, но не различает их между собой. Для такого различения проверьте сохранение формы и способность течь. Сжимаемость связана с расстояниями между частицами.

Разбор задач

Лёд, вода и водяной пар

Условие. Сравните лёд, воду и водяной пар по сохранению формы и объёма. Решение. Нужно сначала определить состояние каждого образца, а затем применить его характерные свойства.

1. Лёд — твёрдое состояние воды, поэтому отдельный кусок сохраняет собственные форму и объём.
2. Вода — жидкость: её объём сохраняется, но форма зависит от сосуда.
3. Водяной пар — газ, поэтому он не сохраняет собственные форму и объём и занимает всё доступное пространство.

Ответ. Лёд сохраняет и форму, и объём; вода сохраняет объём, но принимает форму сосуда; пар не сохраняет ни форму, ни объём. Сравнение показывает, что одного названия вещества недостаточно: важно учитывать его агрегатное состояние.

Газ и вода в шприцах

Условие. В закрытом шприце с газом поршень можно заметно передвинуть, а шприц с водой сжать значительно труднее. Нужно объяснить различие. Решение. Сопоставим расположение частиц и то, что происходит с промежутками между ними при сжатии.

1. В газе частицы разделены большими расстояниями по сравнению с их размерами.
2. При нажатии на поршень частицы сближаются, а промежутки между ними уменьшаются, поэтому объём газа заметно сокращается.
3. В воде частицы уже расположены близко, поэтому уменьшить расстояния между ними можно лишь незначительно.

Ответ. Газ сжимается гораздо легче воды из-за больших промежутков между его частицами. Вода тоже может немного сжиматься, но для этого требуется существенно большее воздействие.

Вещество течёт и сохраняет объём

Условие. Вещество сохраняет объём, принимает форму сосуда и может перетекать из одного сосуда в другой. Требуется определить его состояние и объяснить все признаки. Решение. Не будем опираться только на способность течь: её нужно сопоставить с сохранением объёма и формой.

1. Сохранение объёма не соответствует газу, который занимает весь доступный объём сосуда.
2. Способность принимать форму сосуда и перетекать показывает, что частицы могут перемещаться относительно друг друга.
3. Сочетание текучести с сохранением объёма соответствует жидкости: её частицы близки, но не закреплены в постоянных положениях.

Ответ. Это жидкость. Все три признака согласуются: она течёт и принимает форму сосуда из-за подвижности частиц, но сохраняет объём, поскольку частицы остаются близко друг к другу.

Типичные ошибки

Ошибка — считать частицы твёрдого тела неподвижными. Так думают, потому что форма тела кажется неизменной, однако устойчивость формы не означает отсутствия движения. Проверка: вспомните, что частицы непрерывно колеблются около устойчивых положений, а не застывают на месте.

Ошибка — приписывать жидкости и газу одинаковое сохранение объёма. Их оба можно налить или поместить в сосуд, но жидкость сохраняет собственный объём, а газ распространяется на весь доступный объём. Проверьте себя вопросом: если увеличить сосуд, увеличится ли объём, занимаемый веществом? Для газа — да, для жидкости — нет, если её количество не изменилось.

Ошибка — объяснять текучесть жидкости отсутствием взаимодействия между частицами. Такое объяснение не подходит: частицы жидкости расположены близко и взаимодействуют, но могут перемещаться друг относительно друга. Проверка: свяжите текучесть с возможностью смещения частиц, а сохранение объёма — с их близким расположением.

Ошибка — считать, что название вещества однозначно задаёт его агрегатное состояние. В действительности одно и то же вещество может быть твёрдым, жидким или газообразным при разных условиях. Проверяйте не только название, но и состояние образца и его свойства; вода, например, бывает льдом, жидкостью и паром.

Связь с другими темами

Чтобы понять агрегатные состояния, нужны знания о строении вещества, тепловом движении частиц и их взаимодействии. Эти идеи объясняют, почему частицы движутся и как их движение связано со свойствами целого тела.

Дальше модель частиц пригодится при изучении давления газов: удары движущихся частиц о стенки помогают понять давление. Она также связывает агрегатные состояния с тепловыми явлениями и переходами между состояниями, когда меняются условия и характер движения частиц.

Что запомнить

• Агрегатное состояние связано с движением и взаимодействием частиц.
• В твёрдом теле частицы колеблются около устойчивых положений.
• Твёрдое тело сохраняет форму и объём.
• Жидкость сохраняет объём, но принимает форму сосуда.
• Газ не сохраняет ни форму, ни объём.
• Газ легко сжимается из-за больших промежутков между частицами.