§ 9.1. Чем отличаются твердые тела от жидких и газообразных

Определения и обозначения

Твердое тело — состояние вещества, при котором частицы совершают колебания около положений равновесия, а тело сохраняет форму и объем. Положение равновесия — место, возле которого частица колеблется, не уходя далеко. Это понятие объясняет, почему твердое тело удерживает свою форму, хотя его частицы не неподвижны.

Жидкость — состояние вещества, при котором частицы расположены близко, но могут перемещаться, поэтому жидкость сохраняет объем, но принимает форму сосуда. Их подвижность позволяет жидкости течь, а близкое расположение не дает ей легко уменьшаться в объеме. Такое описание помогает различить форму и объем как отдельные свойства.

Газ — состояние вещества, в котором частицы находятся на больших расстояниях и движутся почти независимо, поэтому газ не сохраняет ни форму, ни объем. Он распространяется по всему доступному пространству, а его объем может изменяться вместе с объемом сосуда. Это определение связывает поведение газа со свободным движением частиц.

Кристаллическая решетка — упорядоченное расположение частиц в кристаллическом твердом теле. Частицы занимают определенные места и колеблются возле них, поэтому сохраняется порядок строения. Понятие решетки нужно, чтобы описывать внутреннее устройство кристаллов, а не только их внешнюю форму.

Как это устроено

Состояние вещества зависит от расстояний между частицами и сил их взаимодействия. В твердом теле частицы расположены близко, а взаимодействие удерживает их возле определенных мест. В жидкости близкое расположение сохраняется, но частицы могут перемещаться, а в газе промежутки велики и связь между частицами слабее. Поэтому агрегатное состояние определяет и движение вещества, и его способность менять форму.

Частицы твердого тела не остаются в покое: они непрерывно получают и передают энергию при столкновениях с соседями. Вокруг каждой частицы действует равновесное положение, к которому ее возвращают силы взаимодействия. При отклонении частицы возникают силы, направленные против дальнейшего смещения, поэтому она колеблется, но не перемещается свободно по всему телу. Так сохраняются форма и объем твердого тела.

В жидкости частицы тоже находятся близко, поэтому между ними почти нет свободного пространства для заметного сжатия. Однако их положения не закреплены так, как в твердом теле: частицы могут перемещаться и менять соседей. Под действием тяжести жидкость течет и занимает нижнюю часть сосуда, принимая его форму. Близость частиц объясняет сохранение объема, а подвижность — отсутствие собственной постоянной формы.

Частицы газа удалены друг от друга на расстояния, намного превышающие их размеры, и большую часть времени движутся свободно. Столкновения между ними и со стенками сосуда меняют направление движения, но частицы продолжают заполнять пространство. Если газ сжать, промежутки между частицами уменьшатся, поэтому для сжатия требуется сравнительно небольшое усилие. Размеры самих молекул при этом почти не меняются.

Нагревание увеличивает среднюю скорость теплового движения частиц, а охлаждение уменьшает ее. При достаточном изменении условий частицы могут перестроить движение и расположение: твердое тело плавится, жидкость испаряется, а при охлаждении возможны обратные переходы. Это не означает, что частицы становятся крупнее или исчезают; меняются их энергия, расстояния и взаимодействие. Для перехода важны не только нагревание или охлаждение, но и условия, в которых находится вещество.

Сравнение твердых тел, жидкостей и газов

Сначала сравнивайте расстояния и подвижность частиц, а затем проверяйте, как из них следуют форма, объем и сжимаемость. Например, большие промежутки в газе объясняют, почему его проще сжать, чем жидкость. Таблица показывает общие свойства состояний вещества; свойства конкретных веществ могут иметь особенности.

Разбор задач

Почему вода принимает форму сосуда, а лед сохраняет собственную форму?

Условие: нужно объяснить различие между жидкой водой и твердым льдом с точки зрения движения их частиц. Требуется не просто назвать состояния, а связать наблюдаемые свойства с внутренним строением. Сравним, насколько свободно частицы могут менять свое положение в каждом случае.

1. В жидкой воде частицы находятся близко друг к другу, но не закреплены возле одних и тех же положений. Они перемещаются, меняют соседей, поэтому вода течет и принимает форму сосуда.

2. Во льду частицы удерживаются возле определенных положений и в основном колеблются около них. Свободного перемещения, подобного движению частиц жидкости, нет, поэтому лед способен сохранять форму.

3. Сопоставляем свойства: подвижность частиц жидкости объясняет изменение формы, а их колебания возле устойчивых положений в твердом теле объясняют сохранение формы. При этом лед и вода сохраняют объем гораздо лучше, чем газ.

Ответ: вода принимает форму сосуда, потому что ее частицы могут перемещаться и менять соседей; частицы льда колеблются около устойчивых положений, поэтому лед сохраняет собственную форму.

Расположите твердое тело, жидкость и газ по возрастанию сжимаемости

Условие: требуется расположить три состояния вещества от наименее сжимаемого к наиболее сжимаемому и обосновать порядок. Сжимаемость показывает, насколько легко уменьшить объем вещества под действием давления. Чтобы сравнить состояния, оценим свободное пространство между частицами.

1. В твердом теле частицы расположены близко и удерживаются взаимодействием возле определенных мест. Свободного пространства почти нет, поэтому сильно сблизить их трудно.

2. В жидкости частицы также расположены близко, а промежутки малы. Они могут перемещаться, но это не означает, что жидкость легко сжимается: для заметного уменьшения объема свободного места мало.

3. В газе расстояния между частицами велики по сравнению с их размерами. Давление позволяет уменьшить эти промежутки, поэтому газ сжимается значительно легче жидкости и твердого тела.

Ответ: твердое тело → жидкость → газ. По возрастанию сжимаемости состояния расположены так, потому что свободного пространства между частицами становится больше.

Газ нагрели в закрытом сосуде: что изменится?

Условие: закрытый сосуд содержит газ, его нагревают; нужно объяснить изменения движения частиц и давления, а также возможность расширения. Закрытый сосуд не дает газу выйти наружу, но сам сосуд может быть жестким или способным расширяться. Поэтому рассмотрим сначала общий эффект нагревания, а затем влияние стенок.

1. При нагревании средняя скорость движения частиц возрастает. Они чаще и сильнее ударяются о стенки сосуда, передавая им импульс.

2. Если сосуд жесткий и его объем не меняется, более частые и сильные удары приводят к росту давления. Газ не может расшириться, потому что стенки сохраняют прежний объем.

3. Если стенки могут смещаться, газ способен расширяться и занимать больший объем. Расширение связано с увеличением расстояний между частицами, а не с заметным увеличением размеров самих молекул.

Ответ: при нагревании частицы движутся быстрее; в жестком закрытом сосуде давление растет, а расширение ограничено стенками. Если сосуд может увеличивать объем, газ расширяется.

Типичные ошибки

Ошибка: считать частицы твердого тела неподвижными. Так думают, потому что само тело не меняет форму и кажется покоящимся, но его частицы постоянно совершают тепловые колебания. Проверьте себя: если бы частицы совсем не двигались, нельзя было бы говорить о тепловом движении вещества.

Ошибка: утверждать, что жидкость не имеет собственного объема. Ее форма действительно зависит от сосуда, поэтому форму и объем иногда смешивают, однако жидкость сохраняет объем. Проверка проста: вода в разных сосудах меняет форму, но не заполняет их целиком, если ее меньше, чем вмещает сосуд.

Ошибка: объяснять расширение газа увеличением размеров молекул. Такое объяснение возникает, если представить, что газ растет как цельный предмет, но при расширении меняются главным образом расстояния между частицами. Проверьте себя: газ может занять сосуд большего объема, хотя размеры его молекул почти прежние.

Ошибка: считать, что между частицами действуют только силы притяжения. Притяжение помогает объяснить связь частиц, но на малых расстояниях проявляются также силы отталкивания. Проверка: если учитывать только притяжение, трудно объяснить, почему частицы не сближаются бесконечно и вещество сохраняет объем.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны основные положения молекулярно-кинетической теории: вещество состоит из частиц, они непрерывно движутся и взаимодействуют. Эти представления помогают объяснить давление газа, свойства жидкостей и твердых тел, а также фазовые переходы. Позже они пригодятся при изучении уравнения состояния идеального газа, деформаций и тепловых явлений. Связь между строением вещества и его свойствами позволяет переходить от наблюдений к объяснению на уровне частиц.

Что запомнить

• Твердое тело сохраняет форму и объем.
• Жидкость сохраняет объем, но принимает форму сосуда.
• Газ не сохраняет ни форму, ни объем и заполняет весь сосуд.
• В твердом теле частицы колеблются около положений равновесия.
• В жидкости частицы расположены близко, но могут перемещаться.
• В газе расстояния между частицами велики по сравнению с их размерами.
• Сжимаемость вещества определяется главным образом расстояниями между его частицами.