§ 37. Агрегатные состояния вещества

Определения и обозначения

Агрегатное состояние вещества — состояние вещества, определяемое расположением, движением и взаимодействием его частиц. К частицам относят молекулы и атомы, из которых состоит вещество. Это понятие помогает объяснить, почему одно вещество может быть твёрдым, жидким или газообразным.

Твёрдое тело — состояние вещества, в котором частицы расположены близко и совершают колебания около устойчивых положений. Они не покидают свои места свободно, потому что удерживаются силами взаимодействия. Поэтому твёрдое тело обычно сохраняет форму и объём.

Жидкость — состояние вещества, в котором частицы расположены близко, но могут перемещаться относительно друг друга. Силы взаимодействия не дают частицам разлететься, однако не закрепляют их в определённых местах. Поэтому жидкость сохраняет объём, но принимает форму сосуда.

Газ — состояние вещества, в котором частицы находятся далеко друг от друга и движутся практически свободно. Их взаимодействие проявляется главным образом во время столкновений, поэтому газ легко расширяется и заполняет доступное пространство. К газам относятся, например, воздух, кислород и водяной пар.

Как это устроено

Одно и то же вещество может существовать в разных агрегатных состояниях, потому что при изменении температуры меняется энергия движения его частиц. При нагревании частицы движутся интенсивнее, а при охлаждении — медленнее. Давление тоже влияет на расстояния между частицами: сильное сжатие может приблизить их и изменить состояние вещества.

В твёрдом теле силы взаимодействия удерживают частицы около определённых положений, поэтому тело сохраняет форму. Частицы не стоят неподвижно: они колеблются, причём при нагревании амплитуда колебаний увеличивается. Пока силы взаимодействия достаточно сильны, частицы не могут свободно перемещаться по всему телу.

В жидкости частицы находятся близко, поэтому жидкость сохраняет почти постоянный объём. Но связи между соседними частицами не фиксируют их навсегда на одном месте, и частицы могут переходить с места на место. Из-за этого жидкость течёт и принимает форму любой части сосуда, в которую налита.

В газе расстояния между частицами намного больше размеров самих частиц, а силы взаимодействия сравнительно слабы. Частицы быстро движутся во всех направлениях и сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда. Поэтому газ не сохраняет собственную форму, расширяется до границ сосуда и легко сжимается.

Различия в расстояниях между частицами объясняют сжимаемость, текучесть и диффузию. Газ сжимается легко, потому что между его частицами много свободного пространства, а жидкость и твёрдое тело — почти нет. Диффузия — взаимное проникновение частиц одного вещества между частицами другого — быстрее идёт в газах, медленнее в жидкостях и очень медленно в твёрдых телах.

Сравнение агрегатных состояний вещества

Чтобы определить состояние вещества, сначала сравните его форму и объём с формой и объёмом сосуда. Затем учтите, легко ли его сжать и может ли оно течь. Если нужно объяснить результат, свяжите наблюдаемое свойство с расстояниями, движением и взаимодействием частиц.

Разбор задач

Задача 1

Определить агрегатное состояние вещества, если оно сохраняет объём, принимает форму сосуда и почти не сжимается. Эти признаки нужно сопоставить с основными свойствами трёх состояний. Одного признака недостаточно, поэтому рассмотрим их вместе.

1. Газ не подходит: он не сохраняет объём и заполняет весь сосуд.
2. Твёрдое тело тоже не подходит, потому что обычно сохраняет собственную форму.
3. Остаётся жидкость: её частицы расположены близко, но могут перемещаться, поэтому жидкость сохраняет объём и течёт.

Ответ: вещество находится в жидком агрегатном состоянии. Почти несжимаемость связана с малым расстоянием между его частицами.

Задача 2

Объяснить, почему воздух в шприце можно сжать, а воду — почти нельзя. При нажатии на поршень уменьшается объём пространства внутри шприца. Сравним, что происходит с частицами воздуха и воды.

1. В воздухе частицы расположены далеко друг от друга, поэтому между ними есть большие промежутки.
2. При движении поршня частицы воздуха сближаются, а свободного пространства становится меньше.
3. В воде частицы уже находятся близко, поэтому заметно уменьшить расстояния между ними почти невозможно.

Ответ: воздух легко сжимается из-за больших промежутков между частицами. Вода почти не сжимается, поскольку её частицы расположены близко.

Задача 3

Объяснить, почему запах духов распространяется по комнате, а кусок металла сохраняет свою форму. В первом случае наблюдается диффузия, то есть распространение частиц одного вещества среди частиц другого. Во втором случае нужно учесть расположение и взаимодействие частиц металла.

1. Молекулы духов испаряются и попадают в воздух.
2. Частицы газа движутся во всех направлениях и перемешиваются с частицами воздуха, поэтому запах постепенно доходит до разных мест комнаты.
3. В металле частицы расположены близко и колеблются около устойчивых положений, а силы взаимодействия удерживают их вместе.

Ответ: запах распространяется благодаря быстрому движению и перемешиванию частиц газа. Металл сохраняет форму, потому что его частицы связаны сильным взаимодействием и не перемещаются свободно.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что частицы твёрдого тела неподвижны. Так думают из-за того, что тело сохраняет форму и кажется полностью неподвижным. Проверка: вспомните, что при любой температуре частицы совершают колебания, а при нагревании эти колебания усиливаются.

Ошибка: утверждать, что жидкость не имеет собственного объёма. Её путают с газом, потому что жидкость принимает форму сосуда. Проверка: перелейте воду в сосуд другой формы — форма изменится, но количество и объём воды останутся почти теми же.

Ошибка: считать газ полностью лишённым взаимодействия частиц. Это упрощение удобно для некоторых рассуждений, но в действительности частицы сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда. Проверка: учтите, что именно столкновения создают давление газа.

Ошибка: путать агрегатное состояние с видом вещества. Лёд, вода и водяной пар — не разные вещества, а разные состояния воды. Проверка: спросите себя, может ли объект перейти в другое состояние при изменении температуры или давления.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно знать, что вещества состоят из молекул и атомов, а их частицы непрерывно движутся и взаимодействуют. Эти представления позволяют объяснить свойства твёрдых тел, жидкостей и газов не только по наблюдениям, но и на уровне строения вещества.

Дальше знания об агрегатных состояниях понадобятся при изучении плавления, кристаллизации, испарения, кипения и конденсации. Все эти процессы связаны с переходами вещества из одного состояния в другое и с изменением движения его частиц.

Тема также помогает понять давление газа, тепловое расширение и работу тепловых машин. В этих явлениях важны столкновения частиц, изменение расстояний между ними и превращение энергии движения частиц.

Что запомнить

• Агрегатное состояние определяется движением, расположением и взаимодействием частиц.
• Твёрдое тело сохраняет форму и объём.
• Жидкость сохраняет объём, но принимает форму сосуда.
• Газ не сохраняет форму и объём, заполняя весь сосуд.
• Частицы твёрдого тела колеблются около определённых положений.
• В жидкости частицы перемещаются относительно друг друга.
• В газе расстояния между частицами велики, поэтому газ легко сжимается.