§ 48. Агрегатные состояния вещества

Определения и обозначения

Агрегатное состояние — форма существования вещества, определяемая характером движения и взаимодействия его частиц. Проще говоря, это состояние вещества как твёрдого тела, жидкости или газа. Понятие помогает связать наблюдаемые свойства вещества с поведением его частиц.

Кристаллическое тело — твёрдое тело с упорядоченным периодическим расположением частиц. Частицы образуют повторяющуюся структуру, поэтому такие тела часто имеют правильную форму и определённую температуру плавления. Это понятие нужно, чтобы отличать кристаллы, например соль или лёд, от других твёрдых веществ.

Аморфное тело — твёрдое тело без дальнего периодического порядка, сохраняющее свойства жидкости при размягчении. Его частицы не образуют единой повторяющейся решётки на больших расстояниях. К аморфным телам относят стекло, пластмассы и некоторые смолы.

Фазовый переход — переход вещества из одного агрегатного состояния в другое при изменении условий. К таким переходам относятся плавление, испарение, конденсация и другие процессы. Это понятие позволяет описывать, куда расходуется энергия при нагревании или охлаждении вещества.

Как это устроено

Агрегатное состояние определяется соотношением кинетической энергии частиц и энергии их взаимодействия. Если взаимодействие преобладает, частицы удерживаются рядом и вещество становится твёрдым; если энергии движения достаточно для перемещения, возникает жидкость. В газе кинетическая энергия настолько велика по сравнению с притяжением, что частицы разлетаются на большие расстояния.

В твёрдом теле частицы не неподвижны: они непрерывно колеблются около положений равновесия. Сильные связи не позволяют им уйти далеко, поэтому расстояния между частицами почти постоянны. Благодаря этому твёрдое тело сохраняет и форму, и объём, хотя при нагревании колебания становятся сильнее и тело немного расширяется.

В жидкости частицы также находятся близко, поэтому жидкость трудно сжать и её объём почти сохраняется. Однако связи между частицами не закрепляют их в постоянных местах: частицы могут перескакивать и менять соседей. Поэтому жидкость течёт, принимает форму сосуда, но не занимает его целиком сама по себе.

В газе частицы движутся хаотично и на большом расстоянии друг от друга, сталкиваясь между собой и со стенками сосуда. Притяжение между ними обычно мало по сравнению с энергией движения. Поэтому газ не сохраняет ни форму, ни собственный объём и расширяется, пока не заполнит всё доступное пространство.

При плавлении твёрдое вещество становится жидкостью, а при кристаллизации жидкость превращается в твёрдое тело. Испарение — переход жидкости в газ с поверхности, конденсация — обратный переход газа в жидкость, а сублимация — переход твёрдого тела сразу в газ. Во время фазового перехода чистого вещества при постоянном давлении температура может не меняться, потому что теплота расходуется на перестройку взаимодействий между частицами.

Сравнение агрегатных состояний вещества

Таблицу удобно использовать для определения состояния по нескольким наблюдаемым признакам. Сначала сравните форму и объём, затем проверьте сжимаемость и способность течь. Если вещество сохраняет объём, но принимает форму сосуда, это жидкость.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Вещество сохраняет объём, не сохраняет форму и почти несжимаемо. Определите его агрегатное состояние.

1. Сохраняющийся объём характерен для твёрдых тел и жидкостей.
2. Отсутствие собственной формы означает, что вещество принимает форму сосуда и не является твёрдым телом.
3. Малая сжимаемость показывает, что частицы расположены близко друг к другу.

Ответ: вещество находится в жидком состоянии.

Задача 2

Условие. Какое количество теплоты нужно сообщить 0,5 кг льда при температуре плавления, чтобы полностью превратить его в воду? λ = 3,3·10⁵ Дж/кг.

1. Лёд уже имеет температуру плавления, поэтому нагревать его не нужно.
2. Для фазового перехода используем формулу Q = λm.
3. Подставим данные: Q = 3,3·10⁵ · 0,5 = 1,65·10⁵ Дж.

Ответ: необходимо сообщить 1,65·10⁵ Дж, или 165 кДж.

Задача 3

Условие. Лёд нагревают от −20 °C до полного превращения в воду, затем воду нагревают до 20 °C. Нужно описать график температуры T от количества теплоты Q и указать этапы.

1. На первом участке лёд нагревается от −20 °C до 0 °C: Q₁ = c_лm·20. Температура растёт, поэтому участок наклонный.
2. На втором участке лёд плавится при 0 °C: Q_пл = λm. Температура постоянна, значит на графике появляется горизонтальный отрезок.
3. После плавления вода нагревается от 0 °C до 20 °C: Q₃ = c_вm·20. Температура снова увеличивается, и график идёт вверх.

Ответ: график состоит из наклонного участка, горизонтального участка плавления и второго наклонного участка. Полное количество теплоты равно Q = Q₁ + λm + Q₃; численное значение без массы и удельных теплоёмкостей определить нельзя.

Типичные ошибки

Ошибка: считать частицы твёрдого тела неподвижными. Так думают из-за неподвижности тела в целом, но частицы колеблются; проверьте себя вопросом: может ли нагрев усиливать эти колебания?

Ошибка: утверждать, что газ не имеет объёма. У газа нет собственного объёма, однако он занимает весь доступный сосуд; мысленно увеличьте сосуд и проверьте, расширится ли газ.

Ошибка: путать испарение и кипение. Испарение идёт с поверхности при любой температуре, а кипение — во всём объёме при определённой температуре; проверьте, где образуются пузырьки пара.

Ошибка: считать, что при плавлении или кипении вся теплота повышает температуру. При переходе чистого вещества энергия меняет внутреннее строение, поэтому температура постоянна; проверьте, есть ли на графике горизонтальный участок.

Связь с другими темами

Для понимания агрегатных состояний нужны молекулярно-кинетические представления, знания о движении частиц, внутренней энергии и способах теплопередачи. Эти понятия применяются при изучении тепловых машин, влажности воздуха и атмосферных явлений, а также в расчётах количества теплоты. Представления о фазовых переходах и внутренней энергии становятся основой дальнейшего изучения термодинамики.

Что запомнить

• Твёрдое тело сохраняет форму и объём.
• Жидкость сохраняет объём, но принимает форму сосуда.
• Газ не сохраняет ни форму, ни объём и заполняет весь сосуд.
• Агрегатное состояние определяется движением и взаимодействием частиц.
• При плавлении вещество переходит из твёрдого состояния в жидкое, а при кристаллизации — обратно.
• Испарение происходит с поверхности жидкости, кипение — во всём её объёме.
• При фазовом переходе чистого вещества температура обычно остаётся постоянной.