§ 38. Агрегатные состояния вещества

Определения и обозначения

Агрегатное состояние — состояние вещества, определяемое характером движения и взаимодействия его частиц и проявляющееся в свойствах вещества. Иначе говоря, оно помогает связать устройство вещества на уровне частиц с тем, как вещество ведёт себя в обычных условиях. По агрегатному состоянию можно судить, например, сохранит ли вещество форму.

Газ — агрегатное состояние, при котором вещество не сохраняет собственные форму и объём и занимает весь предоставленный сосуд. Это означает, что газ принимает форму сосуда и распространяется по всему доступному пространству. Такое определение помогает отличить газ от жидкости и твёрдого тела.

Жидкость — агрегатное состояние, при котором вещество сохраняет объём, но принимает форму сосуда. Если перелить её, например, из стакана в чашу, количество вещества не изменится, а его очертания станут другими. Это определение показывает, почему жидкость может течь, но не заполняет сосуд так, как газ.

Твёрдое тело — агрегатное состояние, при котором вещество сохраняет форму и объём. Кусок льда или металла не принимает форму сосуда, если его не деформировать. Это свойство позволяет отличить твёрдое тело от жидкости, хотя частицы и там и там расположены близко.

Как это устроено

Свойства вещества зависят от того, где расположены его частицы, как они движутся и насколько сильно взаимодействуют. Частицы не являются неподвижными точками: характер их движения и расстояния между ними определяют, может ли вещество течь, сжиматься или сохранять форму. Поэтому различия между агрегатными состояниями объясняются на уровне строения вещества.

В газе расстояния между частицами в среднем велики по сравнению с их размерами. Частицы движутся в разных направлениях и могут свободно перемещаться по сосуду; взаимодействие между ними обычно не удерживает их рядом. При сжатии расстояния между частицами уменьшаются, поэтому газ легко сжать. Свободное движение также объясняет, почему газ постепенно занимает весь предоставленный объём.

В жидкости частицы расположены близко, но не закреплены в постоянных положениях. Они могут перемещаться относительно друг друга, меняя соседей, поэтому жидкость течёт и принимает форму сосуда. Близкое расположение частиц не позволяет жидкости заметно уменьшить объём при обычном сжатии. Так сочетаются текучесть и почти постоянный объём.

В твёрдом теле взаимодействие удерживает частицы около определённых положений равновесия. Частицы колеблются около этих положений, но не перемещаются свободно на большие расстояния, как в жидкости или газе. Поэтому твёрдое тело сохраняет форму, а близкое расположение частиц помогает ему сохранять объём. Колебания не означают, что тело теряет устойчивость.

При изменении температуры меняется интенсивность движения частиц: при нагревании она обычно возрастает, а при охлаждении уменьшается. Давление тоже может менять расстояния между частицами, особенно в газах. Если соотношение тепловой энергии частиц и их взаимодействия меняется достаточно сильно, вещество может перейти в другое агрегатное состояние. При этом частицы остаются частицами того же вещества, но меняются их движение и взаимное расположение.

Сравнение агрегатных состояний вещества

Сравнивайте строки таблицы, чтобы найти причину каждого свойства, а не только запомнить его. Например, большая сжимаемость газа связана с расстояниями между его частицами. Для жидкости и твёрдого тела общими оказываются близкое расположение частиц и почти неизменный объём, но характер движения различается.

Разбор задач

1. Вода в другой посуде

Условие: ученик перелил воду из стакана в широкую чашу. Нужно определить, какие свойства жидкости проявились. Будем отдельно проверять объём воды и её форму. Так можно не смешать два разных свойства.

1. Сравним количество воды до и после переливания: оно не изменилось, значит, при переливании проявилось сохранение объёма.
2. Сравним очертания воды: в стакане они соответствовали узкому сосуду, а в чаше стали шире. Значит, жидкость изменила форму и приняла форму новой посуды.
3. Свяжем наблюдение со строением: частицы жидкости расположены близко, но могут перемещаться относительно друг друга. Поэтому жидкость сохраняет объём и одновременно течёт.

Ответ: вода сохранила объём, но изменила форму, приняв форму чаши.

2. Воздух и вода в закрытых сосудах

Условие: в двух закрытых сосудах находятся воздух и вода. Требуется сравнить, какое вещество легче сжать, и объяснить почему. Для ответа нужно представить расстояния между частицами, а не ориентироваться только на то, что оба вещества занимают место в сосуде. Сравним строение воздуха и воды.

1. В воздухе частицы в среднем находятся далеко друг от друга. Между ними есть промежутки, которые при сжатии можно уменьшить.
2. В воде частицы расположены близко, поэтому свободного пространства между ними гораздо меньше. Сблизить их заметно труднее.
3. Следовательно, при одинаковом воздействии объём воздуха уменьшить легче, чем объём воды. Это и означает, что воздух сжимаем лучше.

Ответ: легче сжать воздух, потому что его частицы разделены большими промежутками; вода сжимается значительно труднее.

3. Нагревание твёрдого вещества

Условие: твёрдое вещество нагрели, и при дальнейшем нагревании оно стало жидким. Нужно объяснить переход через движение и взаимодействие частиц. Само изменение состояния не означает, что частицы вещества исчезли. Проследим, что происходит с ними при нагревании.

1. В твёрдом теле частицы колеблются около положений равновесия, а взаимодействие удерживает их рядом и помогает телу сохранять форму.
2. При нагревании движение частиц становится интенсивнее. Их тепловая энергия возрастает, и удерживать частицы в прежнем упорядоченном расположении становится труднее.
3. При достаточном нагревании частицы получают возможность перемещаться относительно друг друга. Вещество теряет способность сохранять собственную форму и становится жидкостью, но сохраняет близкое расположение частиц.

Ответ: нагревание усилило движение частиц; взаимодействие уже не удерживает их около прежних положений, поэтому твёрдое вещество перешло в жидкое.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что газ не имеет объёма. Газ действительно не сохраняет собственный объём, но занимает весь объём сосуда, в котором находится. Такую путаницу допускают, смешивая «не сохраняет объём» и «не занимает объём». Проверьте себя: если сосуд закрыт, газ распределится по всему его доступному пространству.

Ошибка: утверждать, что жидкость сохраняет собственную форму. Жидкость сохраняет объём, но принимает очертания сосуда, поэтому вода в стакане и чаше выглядит по-разному. Это заблуждение возникает, когда форму жидкости в посуде принимают за её собственную. Проверьте себя, перелив жидкость: форма изменится, а количество останется тем же.

Ошибка: представлять частицы твёрдого тела неподвижными. Они колеблются около положений равновесия, но не перемещаются свободно, как частицы жидкости. Неподвижность путают с сохранением телом формы. Проверьте себя вопросом: что будет с движением частиц при нагревании твёрдого тела? Оно станет интенсивнее.

Ошибка: считать, что при переходе вещества в другое состояние его частицы исчезают или сами превращаются в другие. Меняются движение частиц и их взаимное расположение, а не сами частицы вещества. Ошибка появляется, если наблюдаемое изменение описывают только на уровне внешнего вида. Проверьте себя: объясните переход, указав, что стало с движением и взаимодействием частиц.

Связь с другими темами

Для объяснения агрегатных состояний нужны основные положения молекулярно-кинетической теории: вещество состоит из частиц, частицы движутся и взаимодействуют. Эти представления помогают понять сжимаемость и давление газов, текучесть жидкостей и упругость твёрдых тел. Они также пригодятся при изучении тепловых явлений и переходов между состояниями: плавления, испарения и конденсации. Во всех этих случаях наблюдаемые изменения связывают с движением и взаимодействием частиц.

Что запомнить

• Агрегатное состояние связано с движением и взаимодействием частиц вещества.
• Газ не сохраняет ни собственную форму, ни объём.
• Жидкость сохраняет объём, но принимает форму сосуда.
• Твёрдое тело сохраняет собственные форму и объём.
• Частицы газа расположены в среднем далеко друг от друга.
• Частицы жидкости и твёрдого тела расположены близко, но движутся по-разному.
• Изменение температуры или давления может вызвать переход вещества в другое агрегатное состояние.