§12 Агрегатные состояния вещества

Определения и обозначения

Агрегатное состояние вещества — состояние вещества, определяемое характером движения и взаимодействия его частиц. Проще говоря, оно показывает, как частицы расположены, движутся и влияют друг на друга. Это понятие помогает объяснить, почему одно и то же вещество может вести себя по-разному.

Твёрдое тело — состояние вещества, при котором тело сохраняет форму и объём. Его частицы не перемещаются свободно по всему телу, а колеблются около определённых положений. Это определение позволяет отличить твёрдое тело от жидкости и газа по наблюдаемым свойствам.

Жидкость — состояние вещества, при котором оно сохраняет объём, но принимает форму сосуда. Жидкость можно перелить: она меняет очертания, но её количество занимает примерно тот же объём. Такое описание помогает не путать способность течь с изменением объёма.

Газ — состояние вещества, при котором он не сохраняет ни форму, ни объём и занимает весь предоставленный сосуд. Газ распространяется по доступному пространству и может менять свой объём. Это определение помогает распознать газ и объяснить, почему его можно заметно сжимать.

Как это устроено

Свойства вещества зависят от расположения его частиц, расстояний между ними, движения и взаимодействия. Частицы влияют друг на друга: в одних состояниях они удерживаются около соседей, в других могут перемещаться, а в газе разлетаются на большие расстояния. Расстояния также имеют значение: если между частицами мало свободного места, вещество трудно сжать. Поэтому наблюдаемые форму, объём и сжимаемость можно объяснить устройством вещества.

В твёрдом теле частицы расположены близко друг к другу и взаимодействуют достаточно сильно, чтобы сохранять взаимное расположение. Но они не стоят неподвижно: каждая частица непрерывно колеблется около положения равновесия. Такие колебания не позволяют частицам разойтись и свободно переместиться на большие расстояния. Поэтому тело сохраняет и собственную форму, и объём.

В жидкости частицы тоже находятся близко, поэтому жидкость не распадается на отдельные части и сохраняет объём. Однако частицы могут смещаться относительно соседей: взаимодействие не удерживает их в постоянных положениях так, как в твёрдом теле. Под действием силы тяжести и при переливании одни частицы перемещаются мимо других, поэтому жидкость течёт. Её частицы занимают форму сосуда, в который жидкость налита.

В газе частицы находятся далеко друг от друга по сравнению с размерами самих частиц и движутся свободно. Они перемещаются по всему сосуду, сталкиваются друг с другом и со стенками, поэтому газ распространяется по доступному пространству. Между частицами много свободного места: при сжатии их можно сблизить, и объём газа уменьшится. В твёрдом теле и жидкости частицы уже расположены близко, поэтому сжать их гораздо труднее.

Одно и то же вещество может существовать в разных агрегатных состояниях, потому что условия способны менять движение частиц и характер их взаимодействия. Например, при нагревании частицы получают больше энергии и движутся интенсивнее; при охлаждении их движение ослабевает. Когда изменения становятся достаточными, вещество может перейти из одного состояния в другое. Поэтому лёд, жидкая вода и водяной пар — разные состояния одного вещества, а не разные вещества.

Свойства веществ в разных агрегатных состояниях

Сначала сравните форму и объём: это помогает различить твёрдое тело, жидкость и газ. Затем посмотрите на расположение и движение частиц, чтобы понять причины этих свойств. Строка о сжимаемости показывает, в каком состоянии уменьшить объём вещества проще.

Разбор задач

Задача 1

Определите агрегатное состояние вещества, если оно сохраняет форму и объём. Нужно сопоставить оба наблюдаемых свойства с признаками разных состояний. Одного признака иногда недостаточно: например, объём сохраняют и жидкости, и твёрдые тела. Поэтому проверим, что происходит именно с формой.

1. Вспомним, что твёрдое тело сохраняет собственную форму.
2. Сверим объём: твёрдое тело сохраняет и его.
3. Оба признака совпали, значит, это твёрдое тело.

Ответ: вещество находится в твёрдом состоянии.

Задача 2

Вещество перелили из узкого сосуда в широкий: оно изменило форму, но его объём практически не изменился. Требуется назвать агрегатное состояние и объяснить, почему газ не подходит. Сравним отдельно форму и объём: изменение формы само по себе ещё не отличает жидкость от газа. Решающее наблюдение здесь — сохранение объёма.

1. Жидкость принимает форму сосуда, поэтому после переливания её форма изменилась.
2. Жидкость сохраняет объём, что совпадает с условием задачи.
3. Газ занимает весь сосуд и не сохраняет объём, поэтому описание ему не соответствует.

Ответ: это жидкость; она изменила форму, но сохранила объём.

Задача 3

В закрытом сосуде поршень сжал газ, а количество вещества не изменилось. Объясните, почему объём газа уменьшился и как при этом изменились расстояния между частицами. Закрытый сосуд означает, что газ не вышел наружу, а неизменное количество вещества — что частиц не стало меньше. Значит, нужно объяснить уменьшение объёма изменением расстояний между частицами.

1. До сжатия частицы газа находились далеко друг от друга, а между ними было много свободного места.
2. Поршень уменьшил доступное газу пространство, поэтому частицы оказались ближе друг к другу.
3. Количество частиц не изменилось: уменьшились промежутки между ними и общий объём газа.

Ответ: объём газа уменьшился, потому что частицы сблизились; их количество осталось прежним.

Типичные ошибки

• Ошибка — считать частицы твёрдого тела неподвижными. Так думают, потому что само тело сохраняет форму, но сохранение формы не означает отсутствия движения. Частицы непрерывно колеблются около положений равновесия. Проверьте себя: если представить частицы полностью неподвижными, получится неверная картина вещества.

• Ошибка — считать, что жидкость вместе с формой меняет и объём. Это происходит из-за смешения двух разных свойств: жидкость действительно принимает форму сосуда, но её объём практически сохраняется. Проверьте себя, сравнив количество жидкости до и после переливания. Изменение очертаний сосуда не означает, что жидкости стало больше или меньше.

• Ошибка — приписывать газу собственные форму и объём. Газ может занимать часть пространства, если его ограничивают, поэтому иногда кажется, что он имеет определённый объём. Но в сосуде газ распространяется по всему доступному пространству. Проверьте себя: если сосуд расширить, газ займёт и добавившийся объём.

• Ошибка — представлять частицы как уменьшенные копии тела и забывать о промежутках между ними. Рисунки частиц могут создать впечатление, будто вещество заполнено ими без пустого пространства. В действительности расстояния между частицами различаются, особенно велики они в газе. Проверка простая: именно промежутки помогают объяснить, почему газ сжимается намного легче жидкости и твёрдого тела.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в агрегатных состояниях, нужно знать, что вещества состоят из частиц, которые непрерывно движутся и взаимодействуют. Эти представления объясняют различия между твёрдым телом, жидкостью и газом, а также помогают понять, почему вещество меняет состояние. Позже они пригодятся при изучении плавления и отвердевания, испарения и конденсации. Во всех этих процессах изменения свойств вещества связывают с изменением движения и взаимодействия частиц.

Что запомнить

• Вещество может находиться в твёрдом, жидком или газообразном состоянии.
• Агрегатное состояние связано с расположением, движением и взаимодействием частиц.
• Твёрдое тело сохраняет форму и объём.
• Жидкость сохраняет объём, но принимает форму сосуда.
• Газ не сохраняет ни форму, ни объём и заполняет весь сосуд.
• Газы сжимаются легче, чем жидкости и твёрдые тела.