9. Агрегатные состояния вещества

Определения и обозначения

Твёрдое тело — вещество, частицы которого расположены близко и сохраняют примерно постоянное взаимное расположение. Такое тело сохраняет форму и объём. Это определение помогает связать наблюдаемое свойство предмета с поведением его частиц.

Жидкость — вещество, частицы которого находятся близко, но могут перемещаться относительно друг друга. Жидкость сохраняет объём, однако принимает форму сосуда. Такое описание объясняет, почему воду можно переливать, не меняя заметно её количество.

Газ — состояние вещества, в котором частицы находятся далеко друг от друга и движутся свободно. Газ не сохраняет ни форму, ни объём и занимает всё предоставленное пространство. Определение позволяет понять, почему воздух распространяется по комнате.

Агрегатное состояние вещества — состояние, определяемое характером движения и взаимодействия его частиц. К основным состояниям относят твёрдое, жидкое и газообразное. Этот термин нужен, чтобы описывать свойства вещества не только по внешнему виду, но и по его внутреннему строению.

Как это устроено

Во всех агрегатных состояниях вещество состоит из частиц, например молекул или атомов. Частицы непрерывно движутся и взаимодействуют, но расстояния между ними и сила взаимодействия различаются. Именно эти различия определяют, будет ли вещество сохранять форму, течь или заполнять сосуд.

В твёрдом теле частицы сильно притягиваются и удерживаются около определённых положений. Они не стоят неподвижно, а постоянно колеблются, но не могут свободно разойтись по всему телу. Поэтому отдельные частицы движутся, а тело в целом сохраняет форму и объём.

В жидкости частицы остаются достаточно близко, потому что взаимодействуют друг с другом. При этом удержание слабее, чем в твёрдом теле: частицы могут перескакивать и менять соседей. Благодаря этому жидкость течёт и подстраивается под форму сосуда, но близкое расположение частиц помогает ей сохранять объём.

В газе частицы находятся на больших расстояниях по сравнению с жидкостью и твёрдым телом. На таком расстоянии их взаимодействие обычно слабое, поэтому они движутся хаотически и свободно разлетаются в разные стороны. При столкновениях частицы взаимодействуют, а большие промежутки между ними позволяют газу легко сжиматься.

Одно и то же вещество может существовать в разных агрегатных состояниях. Например, вода бывает льдом, жидкой водой и водяным паром. Переход между состояниями происходит при изменении условий, прежде всего температуры и давления, потому что они меняют движение частиц и расстояния между ними.

Сравнение агрегатных состояний вещества

Сначала определите, какое свойство требуется сравнить, а затем найдите соответствующую строку. При объяснении результата связывайте наблюдаемое свойство с расположением, движением и взаимодействием частиц.

Например, газ легко сжимается не потому, что его частицы становятся меньше, а потому, что уменьшаются промежутки между ними. У жидкости и твёрдого тела такие промежутки гораздо меньше.

Разбор задач

1. Частицы льда, воды и пара

Условие. Сравните расположение и движение частиц в кусочке льда, воде и водяном паре. Нужно описать не внешний вид веществ, а их внутреннюю модель.

1. Лёд — твёрдое тело, поэтому его частицы расположены близко и удерживаются около устойчивых положений.
2. В воде частицы тоже находятся близко, но могут перемещаться и менять соседей.
3. В водяном паре частицы удалены друг от друга и движутся свободно и хаотически.

Ответ. Во льду частицы колеблются около закреплённых положений, в воде перемещаются внутри жидкости, а в паре летают на больших расстояниях друг от друга. Различия в движении и расстояниях объясняют разные свойства трёх состояний воды.

2. Вода в стакане

Условие. Почему вода принимает форму стакана, но после переливания её объём практически не меняется? Требуется объяснить одновременно текучесть и почти несжимаемость жидкости.

1. В жидкости частицы расположены близко, поэтому их общее количество и занимаемое пространство почти не меняются при переливании.
2. Частицы могут перемещаться относительно друг друга и менять соседей.
3. Из-за этой подвижности вода растекается по дну и принимает форму нового сосуда.

Ответ. Вода сохраняет объём благодаря близкому расположению частиц, а форму меняет благодаря их взаимному перемещению. Поэтому при переливании меняется вид воды, но не её количество и объём.

3. Сжатие воздуха и воды

Условие. В закрытом сосуде поршень сжимает воздух, а затем такое же усилие прикладывают к воде. Почему объём воздуха заметно уменьшается, а воды — почти нет?

1. В газе частицы находятся далеко друг от друга, поэтому между ними есть большие свободные промежутки.
2. Давление поршня уменьшает эти промежутки, и объём воздуха заметно сокращается.
3. В воде частицы уже расположены близко, поэтому свободного пространства мало и сжать жидкость тем же усилием почти невозможно.

Ответ. Воздух сжимается значительно сильнее воды из-за больших расстояний между его частицами. Вода почти несжимаема, потому что её частицы расположены близко и свободного пространства между ними мало.

Типичные ошибки

Частицы твёрдого тела неподвижны. Так считают, потому что форма предмета не меняется, но частицы всё равно непрерывно колеблются. Проверьте себя: неподвижность и колебание около устойчивого положения — не одно и то же.

Жидкость сохраняет форму. Ошибку вызывает привычный вид воды в стакане, хотя форма принадлежит сосуду. Перелейте жидкость в другую ёмкость: объём останется почти тем же, а форма изменится.

Частицы газа совсем не взаимодействуют. На больших расстояниях их взаимодействие слабо, но при столкновениях оно проявляется. Для проверки вспомните, что частицы газа сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда.

Свойство тела приписывают отдельной частице. Частица сама по себе не «сохраняет форму» предмета: это свойство большого числа частиц, связанных взаимодействием. Спросите себя, описываете ли вы движение одной частицы или поведение вещества целиком.

Связь с другими темами

До изучения агрегатных состояний нужно знать, что вещества состоят из частиц и что частицы непрерывно движутся. Эти представления помогают объяснять свойства твёрдых тел, жидкостей и газов не только по наблюдениям, но и с помощью модели строения вещества.

Движение и взаимодействие частиц понадобятся при изучении тепловых явлений. На этой основе объясняют нагревание, охлаждение и переходы вещества из одного агрегатного состояния в другое.

Что запомнить

• Вещество состоит из частиц, которые непрерывно движутся и взаимодействуют.
• 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.
• Расстояния между частицами газа значительно больше, чем между частицами жидкости и твёрдого тела.
• Одно и то же вещество может находиться в разных агрегатных состояниях.