§ 19. Агрегатные состояния вещества

Определения и обозначения

Агрегатное состояние вещества — состояние вещества, зависящее от расположения, движения и взаимодействия его частиц. Оно помогает связать наблюдаемые свойства тела с поведением молекул и атомов. Поэтому по агрегатному состоянию можно объяснить, сохраняет ли вещество форму и объём.

Твёрдое тело — состояние вещества, в котором частицы расположены близко, сильно взаимодействуют и совершают колебания около определённых положений. Частицы не стоят неподвижно, но не могут свободно разойтись. Так объясняется сохранение телом собственной формы и объёма.

Жидкость — состояние вещества, в котором частицы расположены близко, но могут перемещаться относительно друг друга. Поэтому жидкость сохраняет объём, но принимает форму сосуда и может течь. Это состояние занимает промежуточное положение между твёрдым телом и газом.

Газ — состояние вещества, в котором частицы движутся свободно, слабо взаимодействуют и занимают весь предоставленный объём. Большие расстояния между частицами позволяют газу легко сжиматься. Газ не имеет собственной формы и объёма.

Как это устроено

Агрегатное состояние определяется не только расстоянием между частицами, но и тем, насколько сильно они притягиваются друг к другу. Если частицы расположены близко и взаимодействуют сильно, им трудно менять взаимное расположение, как в твёрдом теле. При слабом взаимодействии частицы легче расходятся, поэтому вещество может быть жидкостью или газом.

В твёрдом теле каждая частица удерживается соседями около устойчивого положения. Она постоянно колеблется, но не перемещается на большие расстояния, потому что для этого нужно преодолеть сильное взаимодействие. Поэтому кусок металла или льда сохраняет и форму, и объём.

В жидкости частицы находятся близко, однако связи между ними не удерживают каждую частицу на одном месте. Частицы могут перескакивать с места на место и скользить друг относительно друга. Поэтому жидкость течёт и принимает форму сосуда, но расстояния между частицами остаются небольшими, так что её объём почти не меняется.

В газе частицы разделены большими промежутками и быстро движутся во всех направлениях. Столкновения происходят часто, но притяжение между частицами обычно не удерживает их вместе. Частицы разлетаются по всему доступному пространству, поэтому газ заполняет сосуд, не сохраняет форму и легко сжимается.

Нагревание увеличивает скорость движения частиц и может ослабить влияние их взаимодействия. Лёд при нагревании плавится и становится водой, затем вода испаряется или кипит, превращаясь в пар. При охлаждении пар конденсируется в жидкость, а дальнейшее охлаждение может привести к отвердеванию воды; так происходят переходы между состояниями.

Сравнение агрегатных состояний вещества

При работе с таблицей сначала определите наблюдаемое свойство вещества, а затем сравните его с признаками трёх состояний. Не следует делать вывод только по одному признаку: например, способность течь есть и у жидкости, и у газа. Надёжнее учитывать сразу сохранение формы, объёма, сжимаемость и движение частиц.

Разбор задач

Задача 1

Определите агрегатное состояние вещества, если оно сохраняет объём, но принимает форму сосуда. Нужно сопоставить два наблюдаемых свойства с признаками состояний вещества. Форма и объём здесь дают разные, но совместимые подсказки.

1. Газ не подходит, потому что он не сохраняет собственный объём.
2. Твёрдое тело не подходит, потому что оно обычно сохраняет форму.
3. Жидкость сохраняет объём, но её частицы могут перемещаться, поэтому она принимает форму сосуда.

Ответ: вещество находится в жидком состоянии. Примером может служить вода в стакане. Её количество и объём сохраняются, а внешняя форма зависит от сосуда.

Задача 2

Объясните, почему воздух можно сжать, а воду — практически нельзя. В обоих случаях вещество состоит из частиц, но расстояния между ними различаются. Значит, сравнить нужно не размеры самих частиц, а свободное пространство между ними.

1. В газе частицы находятся далеко друг от друга, поэтому при нажатии их можно сблизить.
2. В жидкости частицы уже расположены близко и свободного пространства между ними мало.
3. При сжатии воды расстояния уменьшаются незначительно, поэтому её считают практически несжимаемой.

Ответ: воздух сжимается из-за больших промежутков между частицами. Вода почти не сжимается, потому что её частицы расположены близко. Сами частицы при этом не становятся меньше.

Задача 3

Опишите изменения состояния воды при нагревании льда до превращения в пар и при последующем охлаждении пара. Начинать нужно с твёрдого состояния и называть переходы в правильной последовательности. Затем последовательность при охлаждении нужно пройти в обратном направлении.

1. Лёд при нагревании плавится и переходит из твёрдого состояния в жидкое.
2. Вода при дальнейшем нагревании испаряется с поверхности, а при кипении превращается в пар во всём объёме.
3. При охлаждении пар конденсируется и становится водой, а затем вода может отвердеть и превратиться в лёд.

Ответ: плавление, испарение или кипение, конденсация, отвердевание. При нагревании движение частиц усиливается, а при охлаждении оно ослабевает. Во всех переходах частицы воды сохраняются.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что жидкость не имеет собственного объёма, потому что принимает форму сосуда. Так рассуждают, смешивая форму и объём, хотя количество занимаемого пространства у жидкости сохраняется. Проверьте себя: перелейте воду в сосуд другой формы и сравните её уровень и количество.

Ошибка: считать частицы твёрдого тела неподвижными. Такое представление возникает потому, что тело сохраняет форму и не перемещается целиком. Помните: частицы колеблются около определённых положений, а значит, полностью неподвижными не являются.

Ошибка: путать испарение и кипение. Испарение идёт с поверхности жидкости при любой температуре, а кипение происходит во всём объёме при определённой температуре и сопровождается пузырьками пара. Для проверки спросите себя, где происходит процесс: только на поверхности или во всей жидкости.

Ошибка: утверждать, что при превращении вещества в газ его частицы увеличиваются. Изменяются расстояния между частицами и характер их движения, а размеры самих частиц практически не меняются. Проверить это можно, вспомнив, что при обратной конденсации частицы не уменьшаются, а сближаются.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны представления о молекулах, атомах, тепловом движении и взаимодействии частиц. Эти знания позволяют объяснять свойства вещества не только по наблюдениям, но и по его строению. Без них различия между состояниями выглядели бы просто набором признаков.

Дальше тема понадобится при изучении тепловых явлений, температуры, внутренней энергии и способов её изменения. Нагревание и охлаждение связывают движение частиц с переходами между состояниями. На этих знаниях основано объяснение плавления, испарения и конденсации.

Агрегатные состояния помогают понять работу холодильника и отопительных систем, образование водяного пара и круговорот воды в природе. Испарение, конденсация и отвердевание постоянно происходят вокруг нас. Поэтому свойства частиц важны не только в задачах, но и в быту и природе.

Что запомнить

• Агрегатное состояние определяется расположением, движением и взаимодействием частиц.
• Твёрдое тело сохраняет форму и объём.
• Жидкость сохраняет объём, но не сохраняет форму.
• Газ не сохраняет ни форму, ни объём и заполняет весь сосуд.
• В твёрдом теле частицы колеблются около определённых положений.
• При нагревании и охлаждении вещество может переходить из одного агрегатного состояния в другое.
• При переходе между состояниями частицы вещества не исчезают и не превращаются в другие частицы.