§ 6. Три состояния вещества

Определения и обозначения

Агрегатное состояние — состояние вещества, зависящее от расположения, движения и взаимодействия его частиц. Это понятие помогает связать наблюдаемые свойства тела с его внутренним строением.

Твёрдое тело — состояние вещества, при котором частицы удерживаются около определённых положений, поэтому тело сохраняет форму и объём. Так можно объяснить, почему камень или кусок льда не растекается и не заполняет сосуд.

Жидкость — состояние вещества, при котором частицы могут перемещаться друг относительно друга. Жидкость сохраняет объём, но принимает форму сосуда, поэтому вода течёт, оставаясь тем же количеством вещества.

Газ — состояние вещества, при котором частицы движутся почти свободно. Газ не сохраняет ни форму, ни объём, поэтому распространяется по сосуду и может занимать разное пространство.

Как это устроено

Существование трёх состояний объясняется движением и взаимодействием частиц. Если частицы расположены близко и сильно притягиваются, их движение ограничено, как в твёрдом теле. Если притяжение слабее, частицы могут перемещаться, и вещество становится жидкостью или газом.

Твёрдое тело сохраняет форму и объём не потому, что его частицы полностью неподвижны. Они непрерывно колеблются около определённых положений, но взаимодействие не позволяет им далеко разойтись. Поэтому отдельные частицы движутся, а всё тело остаётся устойчивым.

В жидкости частицы находятся близко, поэтому жидкость почти не меняет свой объём. Одновременно они могут перескакивать с места на место и скользить друг относительно друга. Из-за этого жидкость течёт и принимает форму любого сосуда, в который её налили.

В газе промежутки между частицами велики, а притяжение между ними обычно мало по сравнению с их движением. Частицы разлетаются во всех направлениях и сталкиваются со стенками сосуда. Поэтому газ заполняет весь предоставленный объём, а при сжатии частицы просто сближаются.

При изменении температуры меняется движение частиц и иногда их расположение. При нагревании лёд может расплавиться и стать водой, а вода — превратиться в пар; при охлаждении происходят обратные переходы. Само вещество при этом сохраняется, меняется только его агрегатное состояние.

Свойства веществ в трех агрегатных состояниях

Таблицу удобно использовать для сравнения состояний по одному признаку или для определения состояния по нескольким свойствам. Сначала обратите внимание на форму и объём, а затем проверьте, могут ли частицы перемещаться и легко ли вещество сжимается.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Определите агрегатное состояние воды в льду, стакане и водяном паре. Назовите свойство, по которому это можно установить.

1. Лёд сохраняет собственную форму и объём, значит, вода находится в твёрдом состоянии.
2. Вода в стакане сохраняет объём, но принимает форму стакана, значит, это жидкость.
3. Водяной пар не сохраняет ни форму, ни объём и распространяется по пространству, значит, это газ.

Ответ. Лёд — твёрдое тело, вода в стакане — жидкость, водяной пар — газ. Состояние определяют по сохранению формы и объёма.

Задача 2

Условие. Объясните, почему жидкость принимает форму сосуда, но не растекается бесконечно.

1. Частицы жидкости расположены близко, поэтому взаимодействие между ними удерживает их в пределах некоторого объёма.
2. Эти частицы могут перемещаться друг относительно друга, поэтому жидкость меняет форму и течёт.
3. Когда жидкость достигает стенок сосуда, частицы не исчезают и не разлетаются безгранично, а остаются связанными с остальными частицами.

Ответ. Текучесть объясняется подвижностью частиц, а сохранение объёма — их близким расположением и взаимодействием.

Задача 3

Условие. В закрытом сосуде газ сжали, уменьшив его объём. Объясните, почему это возможно, и сравните расстояния между частицами газа и жидкости.

1. В газе частицы находятся на больших расстояниях, поэтому между ними есть значительные промежутки.
2. При сжатии частицы сближаются, а промежутки уменьшаются, поэтому газ занимает меньший объём.
3. В жидкости частицы уже расположены близко, поэтому свободного пространства мало и сжать жидкость гораздо труднее.

Ответ. Газ легко сжимается благодаря большим промежуткам между частицами. В жидкости расстояния между частицами значительно меньше.

Типичные ошибки

«Частицы твёрдого тела неподвижны». Так думают, потому что тело сохраняет форму. На самом деле частицы колеблются около определённых положений; проверить себя можно, вспомнив, что полная неподвижность частиц невозможна.

«У жидкости нет собственного объёма». Ошибка возникает из-за того, что жидкость меняет форму. Налейте её в разные сосуды: количество и занимаемый объём сохранятся, хотя очертания станут другими.

«Газ исчезает при расширении». На самом деле частицы просто занимают больший объём, а масса вещества сохраняется. Проверка проста: в закрытом сосуде газ после расширения остаётся тем же веществом.

«Лёд и вода — разные вещества». Различие их свойств связано с агрегатным состоянием, а не с составом. И лёд, и вода состоят из воды, что подтверждается возможностью перехода одного состояния в другое.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно знать, что все вещества состоят из частиц, которые непрерывно движутся и взаимодействуют. Именно эта модель объясняет различия между твёрдыми телами, жидкостями и газами.

Три состояния помогают понять плавление, затвердевание, испарение и конденсацию. В каждом таком превращении меняется движение и расположение частиц при сохранении самого вещества.

Эти представления понадобятся при изучении давления газа, тепловых явлений и свойств материалов. Они позволяют объяснять наблюдения не только по внешнему виду, но и через строение вещества.

Что запомнить

• Одно и то же вещество может находиться в разных агрегатных состояниях.
• Твёрдое тело сохраняет форму и объём.
• Жидкость сохраняет объём, но принимает форму сосуда.
• Газ не сохраняет ни форму, ни объём.
• Свойства состояния объясняются расположением, движением и взаимодействием частиц.
• Газ сжимается значительно легче жидкости и твёрдого тела.
• Изменение температуры может вызвать переход вещества из одного состояния в другое.