§ 60. Строение газообразных, жидких и твердых тел

Определения и обозначения

Тепловое движение — непрерывное хаотическое движение частиц вещества. Оно происходит и в покоящемся на вид теле, а не только при нагревании. Чем выше температура, тем интенсивнее в среднем движутся частицы; это понятие помогает объяснять свойства веществ и тепловые явления.

Ближний порядок — упорядоченность расположения частиц лишь среди ближайших соседей. На более значительных расстояниях порядок не сохраняется. Понятие нужно, чтобы описывать строение аморфных тел и отличать его от строения кристаллов.

Дальний порядок — упорядоченность расположения частиц, сохраняющаяся на больших расстояниях в кристалле. Повторяющийся порядок виден не только в окружении одной частицы, но и в расположении удалённых частиц. Это понятие позволяет объяснить характерную структуру кристаллических твёрдых тел.

Кристаллическая решётка — упорядоченное расположение частиц твёрдого тела в пространстве. Частицы не застывают на месте, а колеблются около положений, образующих решётку. Такое представление помогает описывать строение кристалла и связывать его с особенностями свойств.

Как это устроено

В основе строения любого вещества лежат частицы: атомы или молекулы. Они непрерывно движутся и взаимодействуют, хотя наблюдаемое движение целого тела может отсутствовать. Состояние вещества зависит от того, насколько далеко частицы расположены друг от друга и насколько свободно могут перемещаться. Поэтому один и тот же общий принцип приводит к разным свойствам газа, жидкости и твёрдого тела.

В газе расстояния между молекулами намного больше размеров самих молекул. Большую часть времени они движутся почти свободно, а заметное взаимодействие возникает преимущественно при сближении и столкновениях. Хаотическое движение направляет молекулы во все части сосуда, поэтому газ распространяется по всему доступному объёму. Большие промежутки между молекулами позволяют легко уменьшить объём газа, если сжать его.

В жидкости частицы находятся близко друг к другу, и взаимодействие не даёт им разлететься, как в газе. Но связи не закрепляют каждую частицу в одном постоянном месте: частицы способны менять положение относительно соседей. Поэтому жидкость сохраняет почти постоянный объём, но не удерживает собственную форму и принимает форму сосуда. Возможность перемещения частиц также объясняет текучесть.

В твёрдом теле взаимодействие удерживает частицы около устойчивых положений. Они не прекращают движение, а колеблются около этих положений; свободно перемещаться на большие расстояния им трудно. Чтобы изменить форму тела, нужно заметно сместить частицы относительно друг друга и преодолеть их взаимодействие. Поэтому твёрдое тело сохраняет и форму, и объём.

У кристалла расположение частиц упорядочено на больших расстояниях: ему свойственен дальний порядок. У аморфного тела порядок заметен лишь среди ближайших соседей, то есть есть ближний порядок, но нет дальнего. Поэтому аморфное тело не имеет упорядоченной кристаллической решётки, хотя остаётся твёрдым и сохраняет форму. Различие внутреннего строения связано с различиями свойств, например с тем, как тела ведут себя при нагревании и деформации.

Строение и свойства газов, жидкостей и твёрдых тел

Сравнивайте состояния по нескольким признакам сразу: один только способ движения частиц не объясняет всех свойств. Например, объём жидкости и твёрдого тела сохраняется благодаря близкому расположению частиц, а разная форма связана с возможностью их взаимного перемещения. У твёрдых тел учитывайте, что кристаллические и аморфные тела отличаются порядком расположения частиц.

Разбор задач

Объясните с точки зрения строения вещества, почему газ заполняет весь сосуд.

Условие. Нужно связать наблюдаемое свойство газа с расположением и движением его молекул. Важно объяснить, почему газ не остаётся только в той части сосуда, куда его сначала поместили. Вычисления для такого объяснения не нужны.

1. Установим, как расположены молекулы: средние расстояния между ними намного больше их размеров, поэтому они не образуют плотной структуры.
2. Учтём движение частиц: молекулы непрерывно движутся хаотически и могут перемещаться по всему пространству сосуда.
3. Сделаем вывод: молекулы распространяются во всех направлениях, пока не займут весь доступный объём; промежутки между ними позволяют газу сжиматься.

Ответ. Газ заполняет сосуд, потому что его молекулы далеко друг от друга и свободно движутся во всех направлениях, распространяясь по всему доступному объёму.

Сравните жидкость и твёрдое тело: почему оба сохраняют объём, но только жидкость принимает форму сосуда?

Условие. И жидкость, и твёрдое тело состоят из близко расположенных частиц. Нужно объяснить, почему объём у них сохраняется, а форма ведёт себя по-разному. Для ответа сравним, насколько свободно частицы могут менять взаимное положение.

1. Близкое расположение частиц и заметное взаимодействие мешают им разлететься. Поэтому и жидкость, и твёрдое тело сохраняют объём.
2. В жидкости частицы могут перемещаться относительно соседей. Они смещаются, и жидкость течёт, подстраивая форму под сосуд.
3. В твёрдом теле частицы удерживаются около устойчивых положений и преимущественно колеблются около них. Чтобы изменить форму, нужно сместить частицы, преодолевая взаимодействие.

Ответ. Оба состояния сохраняют объём благодаря близкому расположению и взаимодействию частиц. Жидкость принимает форму сосуда, потому что её частицы могут менять положение относительно соседей, а в твёрдом теле они удерживаются около устойчивых положений.

Вещество сохраняет форму, но не имеет дальнего порядка в расположении частиц. Определите, к какому типу твёрдых тел оно относится, и объясните ответ.

Условие. Описанное вещество сохраняет форму, значит, оно является твёрдым телом. При этом дальнего порядка в расположении частиц нет. Нужно определить, кристаллическое это тело или аморфное.

1. Вспомним признак кристалла: в нём упорядоченность расположения частиц сохраняется на больших расстояниях.
2. Сравним с условием: дальнего порядка нет, поэтому строение не соответствует кристаллическому.
3. Для аморфных тел характерен ближний порядок, при котором упорядочены только ближайшие соседи. Сохранение формы этому не противоречит: аморфное тело тоже твёрдое.

Ответ. Это аморфное твёрдое тело: у него нет дальнего порядка, характерного для кристалла, но оно сохраняет форму.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что молекулы газа неподвижны или начинают двигаться только после нагревания. Так можно подумать, если путать видимое движение тела с движением его невидимых частиц. Тепловое движение есть при любой температуре выше абсолютного нуля, а нагревание меняет его интенсивность. Проверка: вспомните, что газ распространяется даже тогда, когда сосуд внешне неподвижен.

Ошибка — представлять частицы жидкости закреплёнными, как частицы в кристалле. Из-за близкого расположения может показаться, что жидкость должна сохранять форму, но близость не означает неподвижность. В жидкости частицы перемещаются относительно соседей, что и позволяет ей течь. Проверка: сопоставьте поведение жидкости в разных сосудах — её форма меняется, а объём остаётся практически тем же.

Ошибка — утверждать, что частицы всегда только притягиваются. Такое упрощение не объясняет, почему частицы не сжимаются до полного сближения. Взаимодействие зависит от расстояния: при сближении проявляется отталкивание, а на других расстояниях может преобладать притяжение. Проверка: спросите себя, что удерживает частицы вместе и что мешает им занять одно и то же место.

Ошибка — считать любое твёрдое тело кристаллическим. Твёрдость и сохранение формы сами по себе не доказывают наличия дальнего порядка. У кристаллов он есть, а в аморфных телах сохраняется только ближняя упорядоченность. Проверка: различайте свойство тела сохранять форму и признак его внутреннего строения — порядок частиц.

Связь с другими темами

Для изучения строения вещества нужно знать, что такое атомы и молекулы, диффузия, тепловое движение и температура. Диффузия показывает, что частицы действительно перемещаются, а температура связана с интенсивностью их теплового движения. Модель частиц помогает объяснить давление газа и перейти к уравнению состояния. Она также пригодится при изучении тепловых явлений и свойств материалов.

Что запомнить

• Частицы вещества непрерывно движутся и взаимодействуют.
• В газе частицы расположены далеко друг от друга и свободно перемещаются.
• Жидкость сохраняет объём, но принимает форму сосуда.
• В твёрдом теле частицы колеблются около устойчивых положений.
• Кристаллы обладают дальним порядком в расположении частиц.
• Для аморфных тел характерен ближний порядок, но нет дальнего.