§ б. Агрегатные состояния веществ

Определения и обозначения

Агрегатное состояние — состояние вещества, характеризующееся тем, как расположены и движутся его частицы. Проще говоря, это способ описать внутреннее устройство вещества и связанные с ним свойства. Понятие помогает объяснить, почему разные вещества или одно и то же вещество могут по-разному вести себя в обычных условиях.

Твёрдое состояние — состояние, в котором вещество сохраняет форму и объём. Например, кусок железа не растекается и не принимает форму коробки, куда его положили. Это определение помогает отличить твёрдое тело от жидкости и газа по тому, меняется ли его форма без сильного воздействия.

Жидкое состояние — состояние, в котором вещество сохраняет объём, но принимает форму сосуда. Вода может выглядеть по-разному в стакане и бутылке, хотя её количество и объём при переливании почти не меняются. Это определение нужно, чтобы не путать форму жидкости с формой твёрдого тела.

Газообразное состояние — состояние, в котором вещество не сохраняет ни собственную форму, ни постоянный объём. Газ распространяется по всему доступному пространству, например занимает весь закрытый сосуд. Определение позволяет отличить газ от жидкости, которая сохраняет объём, и от твёрдого тела, сохраняющего также форму.

Как это устроено

Свойства веществ связаны с тем, как расположены их частицы, как они движутся и насколько сильно взаимодействуют друг с другом. Частицы нельзя увидеть невооружённым глазом, но их поведение помогает объяснить наблюдаемые признаки: форму тела, текучесть и сжимаемость. Если частицы расположены близко и удерживаются возле определённых мест, вещество ведёт себя иначе, чем при больших расстояниях и свободном движении. Поэтому для сравнения агрегатных состояний нужно учитывать все три особенности.

В твёрдом веществе частицы находятся близко друг к другу и не перемещаются свободно по всему телу. Каждая из них колеблется около определённого положения, а взаимодействие с соседями не даёт частицам разойтись и поменяться местами без существенного воздействия. Из-за этого всё тело сохраняет свою форму и объём. Колебания частиц не означают, что твёрдое тело течёт: положение каждой частицы остаётся примерно тем же.

В жидкости частицы тоже расположены близко, поэтому жидкость сохраняет объём и её трудно сжать. Однако частицы могут перемещаться относительно друг друга, так что жидкость течёт и меняет форму при переливании. Сосуд ограничивает её с боков, а под действием силы тяжести она занимает его нижнюю часть. Поэтому форма жидкости зависит от сосуда, но количество вещества не растекается само по себе до бесконечности.

Частицы газа находятся далеко друг от друга по сравнению с частицами жидкости и могут двигаться свободно в разных направлениях. Они сталкиваются друг с другом и со стенками, но не удерживаются возле одного определённого места. Поэтому газ распространяется по всему сосуду, а не остаётся в одной его части. Между частицами много свободного пространства: при сжатии их можно сблизить, и потому газы легко уменьшают свой объём.

Одно и то же вещество может переходить из одного агрегатного состояния в другое, если меняются условия, например температура. Так, лёд, жидкая вода и водяной пар — разные состояния одного вещества, а не три разных вещества. При переходе меняются движение и расположение частиц, но само вещество остаётся тем же. Такое превращение можно наблюдать, когда лёд тает или вода превращается в пар.

Сравнение агрегатных состояний веществ

Сначала сравните расположение и движение частиц, а затем проверьте, как каждое состояние ведёт себя с формой и объёмом. Например, если вещество сохраняет объём, но принимает форму сосуда, это жидкость. Строка о сжимаемости показывает, почему газ можно заметно сжать, а жидкость — почти нет.

Разбор задач

Задача 1. Определи агрегатное состояние железа при обычных условиях и назови два его характерных свойства. Нужно соотнести железо с состоянием вещества и проверить признаки формы и объёма. Не следует делать вывод только по тому, что железо твёрдое на ощупь: используем определения. Запишем рассуждение по шагам.

1. При обычных условиях железо представляет собой твёрдое тело. Это можно проверить по тому, что кусок железа сам по себе не течёт и не заполняет сосуд.
2. Для твёрдого состояния характерно сохранение собственной формы. Кусок железа не становится похожим на стакан или коробку, в которую его положили.
3. Второе характерное свойство — сохранение объёма. Чтобы заметно изменить форму или объём железного тела, потребуется сильное воздействие.

Ответ: железо при обычных условиях находится в твёрдом состоянии; оно сохраняет форму и объём. Здесь решающими были именно эти два признака. Такой способ проверки подходит и для других веществ, если известны условия.

Задача 2. Вода приняла форму стакана, но после переливания её количество и объём практически не изменились. Объясни, какое это состояние и почему. В условии есть два признака, и их нужно рассмотреть вместе. Один связан с формой, другой — с объёмом.

1. Вода приняла форму стакана и при переливании изменяет форму. Значит, она не сохраняет собственную форму, как твёрдое тело.
2. Количество и объём воды практически не изменились. Это признак жидкости, которая сохраняет объём, хотя может течь.
3. Сопоставляем оба наблюдения с определениями. Такое сочетание — изменяемая форма при сохранении объёма — соответствует жидкому состоянию.

Ответ: вода находится в жидком состоянии, потому что принимает форму сосуда, но сохраняет объём. Если бы она сохраняла собственную форму, это было бы свойством твёрдого тела. А если бы занимала всё доступное пространство, это указывало бы на газ.

Задача 3. Воздух в закрытом шприце удалось заметно сжать, а воду — почти нет. Объясни различие через расположение частиц. Для ответа нужно связать наблюдаемую сжимаемость с расстояниями между частицами, а не только назвать состояния веществ. Сравним, что происходит при уменьшении объёма шприца.

1. Воздух — газ, частицы которого находятся далеко друг от друга. Между ними есть свободное пространство, поэтому при надавливании поршня частицы можно сблизить.
2. Вода — жидкость, её частицы расположены близко друг к другу. Свободного пространства между ними намного меньше, поэтому заметно уменьшить объём воды трудно.
3. Следовательно, различие в сжимаемости объясняется расположением частиц. Воздух сжимается значительно легче воды.

Ответ: газ легко сжимается, потому что его частицы разделены большими промежутками; частицы воды расположены близко, поэтому вода почти не сжимается. Один и тот же шприц показывает различие между газом и жидкостью. При этом вода не абсолютно несжимаема — её объём лишь очень трудно заметно уменьшить.

Типичные ошибки

Жидкости иногда приписывают сохранение собственной формы. Ошибка возникает потому, что жидкость сохраняет объём и кажется неизменной, пока стоит в одном сосуде. Проверь себя, перелив небольшое количество жидкости: если она приняла новую форму, значит, форму она не сохраняет.

Частицы твёрдого вещества нередко считают неподвижными. Так думают, потому что кусок твёрдого тела не меняет форму сам по себе. Но частицы колеблются около определённых положений; проверь себя вопросом, означает ли сохранение формы полное отсутствие движения.

Иногда говорят, что газ не имеет объёма. Это неверно: газ занимает весь объём, который ему доступен, например весь закрытый сосуд. Ошибка может появиться из-за того, что газ невидим и его границы не всегда заметны. Проверь себя: если газ заключён в сосуде, он заполняет его внутреннее пространство.

Агрегатное состояние могут путать с самим веществом. Например, лёд и жидкую воду принимают за разные вещества, хотя это одно и то же вещество в разных состояниях. Ошибка возникает, потому что их свойства и внешний вид различаются. Проверь себя: изменение состояния не обязательно означает, что вещество стало другим.

Связь с другими темами

Для понимания агрегатных состояний нужно знать, что вещества состоят из частиц и что частицы находятся в движении. Эти представления помогают объяснить, почему тела сохраняют форму, жидкости текут, а газы занимают доступное пространство. Если представить вещество только как сплошную массу без частиц, причины этих различий останутся непонятными. Поэтому модель частиц служит основой для рассуждений о свойствах вещества.

Та же модель пригодится при изучении диффузии и растворения: в этих явлениях частицы перемещаются и смешиваются. Она также помогает понять изменения состояния веществ, когда при изменении условий меняются движение и расположение частиц. Связывая темы, полезно каждый раз спрашивать себя, что происходит с частицами и как это объясняет наблюдение.

Что запомнить

• Вещество состоит из частиц, движение и расположение которых связаны с его свойствами.
• Твёрдое тело сохраняет форму и объём.
• Жидкость сохраняет объём, но принимает форму сосуда.
• Газ не сохраняет собственные форму и объём и заполняет доступное пространство.
• Частицы твёрдого вещества колеблются, а частицы жидкости и газа могут перемещаться.
• Одно и то же вещество может находиться в разных агрегатных состояниях.