§ 2. Агрегатные состояния вещества

Определения и обозначения

Агрегатное состояние — форма существования вещества, которая определяется расположением и движением его частиц. Иными словами, оно показывает, как частицы расположены относительно друг друга и могут ли они свободно перемещаться. Это понятие помогает объяснить, почему вещества по-разному ведут себя в одинаковых условиях.

Твёрдое тело — вещество, сохраняющее форму и объём. Его частицы колеблются около постоянных, то есть устойчивых, положений и не перемещаются свободно по всему телу. Это объясняет, почему твёрдое тело можно узнать по его форме.

Жидкость — вещество, сохраняющее объём, но принимающее форму сосуда. Её частицы могут перемещаться относительно друг друга, поэтому жидкость течёт. Это определение помогает отличить жидкость от твёрдого тела и газа.

Газ — состояние вещества, в котором оно не сохраняет ни форму, ни объём и занимает всё пространство сосуда. Частицы газа движутся свободно и могут удаляться друг от друга. Поэтому газ обычно нельзя удержать без сосуда.

Как это устроено

Различия между состояниями связаны с расстояниями между частицами и тем, как они движутся. В твёрдых телах частицы расположены близко и лишь колеблются около определённых мест. В жидкости они тоже находятся близко, но способны перемещаться, а в газе расстояния между частицами намного больше и движение свободнее. Поэтому свойства вещества зависят не только от того, из каких частиц оно состоит, но и от их расположения и движения.

Твёрдое тело сохраняет форму, потому что его частицы находятся близко друг к другу и удерживаются около устойчивых положений. Каждая частица непрерывно движется, но в основном колеблется на одном месте, а не перемещается по всему телу. Соседние частицы не дают телу легко изменить расположение. Поэтому камень, например, не принимает форму руки, которая его держит.

Жидкость течёт и принимает форму сосуда, поскольку её частицы могут перемещаться относительно друг друга. Они остаются близко, так что жидкость не расползается сама по себе, занимая весь доступный объём, как газ. Вместе частицы сохраняют примерно постоянное расстояние, поэтому объём жидкости почти не меняется. Вода в бутылке и в стакане имеет разную форму, но её количество не исчезает и не заполняет сосуд целиком.

Частицы газа расположены далеко друг от друга и непрерывно движутся в разных направлениях. Между ними много свободного пространства, поэтому при сжатии частицы можно сблизить: этим объясняется высокая сжимаемость газа. Двигаясь, они распределяются по всему доступному объёму, а не остаются только в одной части сосуда. Поэтому газ заполняет сосуд целиком и принимает его форму.

Одно и то же вещество может переходить из состояния в состояние, если изменить условия, например нагреть его. Лёд при плавлении превращается в жидкую воду, а при дальнейшем нагревании вода может стать водяным паром. При охлаждении возможны обратные переходы: пар превращается в жидкость, а вода замерзает. Во время таких переходов меняются расположение и движение частиц, но само вещество остаётся водой.

Сравнение агрегатных состояний вещества

Сначала сравнивайте сохранение формы и объёма: это позволяет отличить состояния по наблюдаемым свойствам. Затем проверьте, согласуется ли объяснение с расположением и движением частиц. Например, лёгкое сжатие указывает на газ, а сохранение объёма при изменении формы — на жидкость.

Разбор задач

Вода в разных состояниях

Условие: определите агрегатное состояние воды в кубике льда, стакане и водяном паре. Во всех трёх случаях речь идёт об одном веществе — воде. Нужно определить состояние каждой формы воды по её свойствам.

1. Кубик льда сохраняет собственную форму и объём, значит, вода здесь находится в твёрдом состоянии.
2. Вода в стакане сохраняет объём, но принимает форму стакана. Следовательно, это жидкое состояние.
3. Водяной пар — вода в газообразном состоянии: он не сохраняет форму и распространяется в доступном пространстве.

Ответ: в кубике льда вода твёрдая, в стакане — жидкая, водяной пар — газообразный. Определять состояние следует по свойствам, а не по тому, что все примеры связаны с водой. Состав вещества при этом остаётся тем же.

Воздух и вода в шприце

Условие: почему воздух в шприце можно заметно сжать, а воду — почти нельзя? Для сравнения представим, что отверстие шприца закрыто и поршень давит на содержимое. Нужно связать результат с расположением частиц веществ.

1. Воздух — газ, его частицы расположены далеко друг от друга. Между ними есть свободное пространство, поэтому поршень может сблизить частицы и уменьшить занимаемый воздухом объём.
2. Вода — жидкость, её частицы расположены близко. Свободного пространства между ними мало, поэтому заметно сблизить частицы давлением поршня не получается.
3. Сравниваем результат: воздух сжимается значительно легче воды. Это и есть следствие разного расстояния между частицами, а не разной силы движения поршня.

Ответ: воздух заметно сжимается, потому что частицы газа далеко друг от друга; воду сжать трудно, потому что частицы жидкости расположены близко. Если поменять воду на другое жидкое вещество, оно тоже будет сжиматься гораздо хуже газа. Это объяснение можно проверить на опыте со шприцем.

Нагревание льда

Условие: лёд нагрели до плавления, а затем полученную воду продолжили нагревать до образования пара. Назовите состояния вещества и переходы между ними. Проследим путь вещества по порядку, начиная со льда.

1. До нагревания вода находится в твёрдом состоянии: это лёд.
2. При плавлении твёрдое состояние сменяется жидким. После этого вещество становится жидкой водой.
3. При дальнейшем нагревании вода переходит в газообразное состояние; этот переход называется парообразованием. Получается водяной пар.

Ответ: твёрдое состояние — плавление — жидкое состояние — парообразование — газообразное состояние. Вещество на каждом этапе остаётся водой, хотя его частицы движутся и располагаются по-разному. Названия «плавление» и «парообразование» обозначают именно переходы между состояниями.

Типичные ошибки

Ошибка — считать частицы твёрдого тела неподвижными. Так думают, потому что само тело не меняет форму, но сохранение формы не означает отсутствия движения. Частицы непрерывно колеблются около постоянных положений; проверьте себя, отличая колебание на месте от свободного перемещения.

Ошибка — говорить, что жидкость сохраняет форму, раз она не растекается по всему сосуду. Обычно путают форму и объём, хотя это разные свойства: жидкость принимает форму сосуда, но сохраняет объём. Чтобы проверить ответ, сравните жидкость в узком и широком сосуде: форма изменится, а объём останется тем же.

Ошибка — представлять частицы газа неподвижными. Это может казаться правдоподобным, если газ не виден, но невидимость не означает отсутствия движения. Частицы газа свободно и непрерывно движутся; проверить объяснение можно по тому, что газ распространяется по всему доступному объёму.

Ошибка — считать, что лёд при таянии превращается в другое вещество. Причина путаницы — заметная перемена внешнего вида и свойств, хотя меняется агрегатное состояние, а не состав. Проверьте себя: лёд, жидкая вода и водяной пар — одно и то же вещество, вода.

Связь с другими темами

Для понимания агрегатных состояний нужно знать, что вещества состоят из частиц и что частицы непрерывно движутся. Эти идеи помогают объяснить, почему частицы могут быть расположены по-разному, а вещества — сохранять или менять форму. Представление о частицах связывает наблюдаемые свойства вещества с его строением.

Дальше эта модель пригодится при изучении диффузии — взаимного проникновения частиц веществ. Она также помогает разбираться в давлении газов и тепловых явлениях: в этих темах важно учитывать движение частиц и его изменения. Значит, описание агрегатных состояний становится основой для объяснения многих явлений.

Что запомнить

• Вещества состоят из частиц, которые непрерывно движутся.
• В твёрдом теле частицы колеблются около постоянных положений.
• Твёрдое тело сохраняет форму и объём.
• Жидкость сохраняет объём, но принимает форму сосуда.
• Газ не сохраняет ни форму, ни объём и заполняет весь сосуд.
• Газ сжимается легче жидкости и твёрдого тела.
• Одно и то же вещество может существовать в разных агрегатных состояниях.