§ 30. Агрегатные состояния вещества

Определения и обозначения

Агрегатное состояние вещества — состояние, определяемое характером движения и взаимодействия его частиц. Проще говоря, оно показывает, как частицы расположены и ведут себя. Это понятие помогает связать внутреннее строение вещества с его наблюдаемыми свойствами.

Твёрдое тело — состояние вещества, в котором частицы колеблются около определённых положений. Они не стоят совершенно неподвижно, но и не перемещаются свободно по всему телу. Поэтому твёрдое тело сохраняет форму и объём.

Жидкость — состояние вещества, в котором частицы расположены близко, но могут перемещаться друг относительно друга. Частицы не разлетаются, поэтому объём жидкости почти не меняется. Однако жидкость течёт и принимает форму сосуда.

Газ — состояние вещества, в котором частицы движутся на больших расстояниях друг от друга. Газ не сохраняет собственные форму и объём, а занимает всё пространство сосуда. Это определение помогает отличить газ от жидкости, которая сохраняет объём.

Как это устроено

Свойства твёрдых тел, жидкостей и газов объясняются тремя связанными особенностями: расстояниями между частицами, силой их взаимодействия и характером движения. Эти особенности влияют на то, насколько свободно частицы могут перемещаться. В результате вещество по-разному держит форму, меняет объём и течёт. Поэтому сравнение частиц помогает понять свойства, которые мы наблюдаем.

В твёрдом теле частицы притягиваются достаточно сильно, чтобы удерживаться около определённых положений. Они колеблются, но не могут легко разойтись или поменяться местами с соседними частицами. Из-за этого тело не растекается и не заполняет сосуд, а сохраняет свою форму. Плотное расположение частиц также объясняет, почему твёрдые тела трудно сжать.

В жидкости частицы тоже находятся близко, поэтому жидкость сохраняет почти постоянный объём. Но взаимодействие не удерживает каждую частицу в одном положении так жёстко, как в твёрдом теле. Частицы могут перемещаться и менять соседей, из-за чего жидкость течёт. Она занимает нижнюю часть сосуда и принимает его форму, оставаясь при этом жидкостью, а не растекаясь без конца.

В газе частицы расположены далеко друг от друга, а их взаимодействие сравнительно слабое. Они свободно движутся в разных направлениях и разлетаются по всему доступному пространству. Поэтому газ заполняет сосуд целиком и не сохраняет собственный объём. При сжатии частицы можно сблизить, так как между ними много свободного места, — этим объясняется сжимаемость газа.

Нагревание и охлаждение меняют движение частиц и могут приводить к переходу вещества из одного состояния в другое. При нагревании частицы в среднем движутся активнее, а при охлаждении их движение ослабевает. Например, вода при нагревании может превратиться в пар, а при охлаждении пара может снова стать жидкостью. Сами частицы воды при этом не превращаются в частицы другого вещества: меняются их движение и взаимное расположение.

Сравнение агрегатных состояний вещества

Сравнивайте не один признак, а сразу несколько: например, сохранение объёма вместе с отсутствием собственной формы указывает на жидкость. Чтобы объяснить сжимаемость, смотрите на расстояния между частицами. Таблица показывает общие свойства состояний; конкретные вещества могут отличаться по отдельным характеристикам.

Разбор задач

Задача 1

Определите агрегатное состояние вещества, если оно сохраняет объём, но принимает форму сосуда. Нужно использовать оба указанных признака, а не делать вывод только по внешнему виду. Сравним их с особенностями твёрдых тел, жидкостей и газов.

1. Твёрдое тело сохраняет и форму, и объём, поэтому условию не соответствует.
2. Газ не сохраняет собственный объём, а заполняет сосуд целиком, поэтому он тоже не подходит.
3. Жидкость сохраняет объём, но принимает форму сосуда; оба признака совпали.

Ответ: это жидкость. Такой вывод верен, потому что одновременно учтены и объём, и форма вещества.

Задача 2

Объясните, почему воздух можно сжать, а воду — практически нельзя. Сначала определим, к каким агрегатным состояниям относятся воздух и вода при обычных условиях. Затем сопоставим расстояния между частицами и выясним, где остаётся больше места для их сближения.

1. Воздух — газ, и его частицы находятся далеко друг от друга.
2. При сжатии частицы газа можно приблизить, потому что между ними много свободного пространства.
3. В жидкой воде частицы уже расположены близко, поэтому заметно сблизить их трудно.

Ответ: воздух легко сжимается, а вода практически несжимаема из-за разного расстояния между частицами. Речь идёт о сравнении при обычных условиях: точно сжать воду всё же можно, но для этого нужны очень большие давления.

Задача 3

Опишите, что происходит с частицами воды при нагревании до кипения и последующем охлаждении пара. Нужно проследить за изменением состояния и движения частиц по порядку. При этом частицы остаются частицами воды, хотя вещество меняет состояние.

1. При нагревании частицы воды движутся активнее; при достижении условий кипения вода превращается в газ.
2. В газообразном состоянии частицы расположены гораздо дальше друг от друга и свободно движутся.
3. При охлаждении пара движение частиц ослабевает; они сближаются, и пар конденсируется, то есть становится жидкостью.

Ответ: происходит переход жидкость — газ — жидкость. При нагревании вода кипит и превращается в пар, а при охлаждении пар конденсируется; частицы не становятся частицами другого вещества.

Типичные ошибки

Ошибка — говорить, что газ вообще не имеет объёма. Так могут решить, потому что газ невидим или быстро распространяется, но в действительности он занимает весь объём предоставленного сосуда. Проверьте себя: если закрыть газ в сосуде, он заполнит его пространство, а при изменении размера сосуда изменится и занимаемый газом объём.

Отсутствие у жидкости собственной формы не означает, что формы у неё нет совсем. Иногда это путают с отсутствием определённых границ, однако жидкость принимает форму сосуда, а газ тоже принимает форму сосуда и заполняет его целиком. Проверьте себя по двум вопросам: сохраняется ли объём и занимает ли вещество весь сосуд.

Неверно считать частицы твёрдого тела неподвижными. Такое представление возникает потому, что тело сохраняет форму и кажется неподвижным, но его частицы колеблются около устойчивых положений. Проверка простая: сохранение формы означает ограниченность перемещения частиц, а не полное отсутствие их движения.

При переходе в другое агрегатное состояние частицы не превращаются в частицы другого вещества. Эту ошибку допускают, смешивая изменение состояния с химическим превращением. При плавлении, кипении или конденсации меняются движение и расположение частиц, но само вещество остаётся тем же; сравните, например, лёд, воду и водяной пар.

Связь с другими темами

Чтобы понять агрегатные состояния, нужно знать, что вещества состоят из частиц и что частицы движутся. С этой темой связаны температура, нагревание и охлаждение: изменение температуры влияет на движение частиц и может вызвать переход состояния. Позже эти знания пригодятся при изучении плавления, кипения, испарения и конденсации, а также других тепловых явлений и свойств веществ. Они помогают объяснять круговорот воды в природе: вода испаряется, пар конденсируется, а затем вода возвращается на поверхность в виде осадков.

Что запомнить

• Агрегатное состояние определяется движением и взаимодействием частиц.
• Твёрдое тело сохраняет форму и объём.
• Жидкость сохраняет объём, но не сохраняет собственную форму.
• Газ не сохраняет ни форму, ни собственный объём.
• Чем больше расстояния между частицами, тем легче вещество сжать.
• Нагревание и охлаждение могут вызывать переходы между агрегатными состояниями.