§ 6. Агрегатные состояния вещества

Определения и обозначения

Агрегатное состояние — состояние вещества, определяемое расположением и характером движения его частиц. Основные состояния — твёрдое, жидкое и газообразное. Это понятие помогает связать наблюдаемые свойства вещества с его внутренним строением.

Твёрдое тело — вещество, сохраняющее форму и объём. Его частицы расположены близко и колеблются около определённых положений равновесия. Поэтому твёрдое тело можно переносить, не опасаясь, что оно само изменит очертания.

Жидкость — вещество, сохраняющее объём, но принимающее форму сосуда. Частицы жидкости находятся близко друг к другу, однако могут перемещаться относительно соседних частиц. Так объясняются текучесть жидкости и её способность растекаться.

Газ — вещество, не сохраняющее ни форму, ни объём. Его частицы находятся далеко друг от друга и движутся хаотически, то есть в разных направлениях без общего порядка. Поэтому газ заполняет всё пространство, которое ему предоставили.

Как это устроено

Агрегатное состояние связано не с изменением самих частиц вещества, а с расстояниями между ними, силой взаимодействия и характером движения. Например, молекулы воды остаются молекулами воды и в льду, и в жидкости, и в водяном паре. Меняется то, насколько свободно они перемещаются и как расположены относительно друг друга.

Твёрдое тело сохраняет форму потому, что его частицы сильно притягиваются и удерживаются около устойчивых положений. Каждая частица может немного отклоняться от такого положения, поэтому она совершает колебания. Но для перемещения в другую часть тела нужно преодолеть сильное взаимодействие с соседями, и свободного движения не происходит.

Жидкость сохраняет объём, потому что её частицы по-прежнему расположены близко и почти не оставляют пустых промежутков. Однако связи между соседними частицами не закрепляют каждую из них в одном месте навсегда. Частицы могут менять соседей и перемещаться, поэтому жидкость течёт и принимает форму сосуда, оставаясь почти несжимаемой.

Газ занимает весь предоставленный объём, поскольку частицы движутся свободно и постоянно сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда. Средние расстояния между частицами намного больше размеров самих частиц, поэтому газ легко сжать: при уменьшении объёма сначала сокращаются промежутки. В разных состояниях одно и то же вещество может переходить из одного вида в другой, если меняются условия, например температура или давление.

Свойства вещества в разных агрегатных состояниях

Чтобы пользоваться таблицей, сначала найдите в условии нужное свойство, а затем сравните его с признаками в каждой колонке. Если вещество сохраняет объём, но не сохраняет форму, это жидкость. Сочетание отсутствия собственной формы и объёма указывает на газ.

Разбор задач

Задача 1

Определите агрегатное состояние вещества, если оно сохраняет собственный объём, но принимает форму сосуда. Нужно сопоставить два наблюдаемых свойства с признаками состояний. Рассуждение удобно вести от сохранения объёма к способности менять форму.

1. Твёрдое тело сохраняет и форму, и объём, поэтому оно не подходит.
2. Газ не сохраняет ни форму, ни объём, поэтому он тоже не подходит.
3. Жидкость сохраняет объём, но свободно принимает форму сосуда.

Ответ: вещество находится в жидком состоянии.

Задача 2

Сравните расположение и движение частиц в твёрдом теле и газе. Объясните, почему газ легче сжать. Для решения надо отдельно сравнить расстояния между частицами и характер их движения.

1. В твёрдом теле частицы расположены близко и колеблются около устойчивых положений.
2. В газе частицы находятся далеко друг от друга и хаотически движутся во всём доступном пространстве.
3. При сжатии газа уменьшаются большие промежутки между частицами, поэтому его объём заметно меняется.

Ответ: газ легче сжать из-за больших расстояний между его частицами.

Задача 3

В закрытом сосуде лёд нагревают до таяния, а затем продолжают нагревать воду до появления пара. Нужно назвать состояние вещества на каждом этапе и проследить изменение модели частиц. Закрытый сосуд не меняет последовательность переходов, хотя пар остаётся внутри сосуда.

1. До начала таяния вещество находится в твёрдом состоянии: частицы близки и колеблются около положений равновесия.
2. При таянии лёд переходит в жидкость: частицы сохраняют близкое расположение, но получают возможность перемещаться относительно друг друга.
3. При дальнейшем нагревании вода превращается в пар, то есть газ: расстояния между частицами увеличиваются, а движение становится свободным и хаотическим.

Ответ: последовательно наблюдаются твёрдое, жидкое и газообразное состояния; меняются движение и расположение частиц, но не сами молекулы.

Типичные ошибки

Ошибка: считать частицы твёрдого тела полностью неподвижными. Так думают, потому что само тело сохраняет форму, однако частицы постоянно колеблются. Проверка: вспомните, что нагрев усиливает движение частиц даже в твёрдом теле.

Ошибка: представлять частицы жидкости далеко друг от друга, как в газе. Причина — жидкость тоже меняет форму, но её частицы всё же расположены близко. Проверка: жидкость сохраняет объём и сжимается очень слабо.

Ошибка: путать сохранение объёма с сохранением формы. Жидкость сохраняет количество занимаемого пространства, но принимает форму сосуда. Проверка: перелейте воду в другой сосуд — объём останется тем же, а форма изменится.

Ошибка: считать, что при переходе состояния меняются сами частицы. На самом деле меняются расстояния, движение и взаимодействие между ними. Проверка: сравнивайте молекулу вещества до и после перехода, а не только внешний вид вещества.

Связь с другими темами

Для понимания агрегатных состояний нужны представления о том, что вещества состоят из частиц, которые непрерывно движутся и взаимодействуют. Без этой модели невозможно объяснить различия между твёрдым телом, жидкостью и газом.

Тема опирается на знания о молекулах и их движении, полученные при изучении строения вещества. Наблюдаемые свойства вещества становятся понятнее, если мысленно представить поведение его частиц.

Эти представления понадобятся при изучении тепловых явлений. Они помогут объяснить плавление, парообразование и конденсацию, то есть переходы вещества между агрегатными состояниями.

Что запомнить

• Основные агрегатные состояния вещества — твёрдое, жидкое и газообразное.
• В твёрдом теле частицы колеблются около положений равновесия.
• Частицы жидкости расположены близко друг к другу и могут перемещаться.
• Частицы газа находятся далеко друг от друга и движутся хаотически.
• Твёрдое тело сохраняет форму и объём.
• Жидкость сохраняет объём, но принимает форму сосуда.
• Газ не сохраняет ни форму, ни объём и заполняет весь предоставленный объём.