§ 4. Агрегатные состояния и переходы между ними

Определения и обозначения

Агрегатное состояние — состояние вещества, зависящее от расположения и движения его частиц. В твёрдом теле частицы колеблются около постоянных положений, в жидкости перемещаются друг относительно друга, а в газе свободно движутся на больших расстояниях. Это понятие помогает объяснить, почему вещества по-разному сохраняют форму и объём.

Плавление — переход вещества из твёрдого состояния в жидкое при нагревании. Например, лёд при получении тепла становится водой, а частицы начинают двигаться свободнее. Название перехода позволяет точно описать изменение состояния, не путая его с растворением или превращением вещества в другое.

Испарение — переход жидкости в газообразное состояние с поверхности жидкости при любой температуре. Частицы, обладающие достаточной энергией, покидают жидкость и становятся частью газа. Понятие объясняет, почему лужа или мокрая ткань высыхает даже без кипения.

Конденсация — переход вещества из газообразного состояния в жидкое при охлаждении. Так водяной пар превращается в капли на холодном стекле. Это название нужно, чтобы отличать обратный переход от испарения и понимать, откуда берутся капли росы.

Как это устроено

В твёрдых телах частицы расположены близко и сильно взаимодействуют, поэтому не разлетаются и лишь колеблются около определённых мест. В жидкости частицы тоже соседствуют, но взаимодействие позволяет им перемещаться относительно друг друга. В газе расстояния между частицами велики, а их взаимное притяжение обычно мало влияет на движение. Поэтому различия состояний связаны не с тем, из каких частиц состоит вещество, а с тем, как частицы расположены и движутся.

Твёрдое тело сохраняет форму, потому что частицы не могут свободно менять положение, и сохраняет объём, поскольку они расположены плотно. Жидкость сохраняет объём благодаря близкому расположению частиц, но течёт: частицы могут менять соседей, поэтому жидкость принимает форму сосуда. Частицы газа движутся во все стороны и распределяются по свободному пространству. По этой причине газ заполняет весь сосуд, а не остаётся на его дне отдельной порцией.

Нагревание обычно усиливает движение частиц, а охлаждение его замедляет. Если при нагревании частицы твёрдого тела начинают перемещаться друг относительно друга, происходит плавление; при охлаждении жидкости частицы упорядочиваются, и наступает кристаллизация. Дальнейшее изменение температуры может вызвать переход жидкости в газ или газа в жидкость. При этом меняется состояние вещества, но его частицы не исчезают и не становятся частицами другого вещества.

Испарение происходит с поверхности жидкости: некоторые её частицы получают достаточно энергии, чтобы преодолеть притяжение соседей и покинуть жидкость. Этот процесс возможен при любой температуре, хотя при нагревании обычно идёт быстрее. Кипение отличается тем, что пузырьки пара образуются и растут во всём объёме жидкости; оно начинается при определённой для данных условий температуре. Поэтому высыхание воды при комнатной температуре — испарение, а бурное образование пузырьков в нагреваемой кастрюле — кипение.

Между тремя состояниями возможны разные переходы. Плавление и кристаллизация связывают твёрдое и жидкое состояния, а испарение, включая кипение, и конденсация — жидкое и газообразное. Некоторые вещества при определённых условиях переходят из твёрдого состояния сразу в газообразное: это сублимация; обратный переход из газа прямо в твёрдое состояние называется десублимацией. Название процесса определяют по исходному и конечному состояниям вещества.

Агрегатные состояния и переходы между ними

Сначала найдите в таблице исходное состояние, затем — конечное: так проще определить название перехода. Строки трёх состояний описывают расположение частиц, а строки переходов — изменения между состояниями. Испарение и кипение ведут к одному результату, но различаются тем, где именно образуется газ.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Определите агрегатное состояние воды в льду, стакане воды и водяном паре и назовите переход при превращении льда в воду. Рассуждать следует по тому, сохраняет ли вода форму, и по направлению изменения. Так можно отличить само состояние от процесса перехода.

1. Лёд сохраняет собственную форму, значит, вода находится в твёрдом состоянии.
2. В стакане вода сохраняет объём, но принимает форму сосуда, поэтому она жидкая.
3. Водяной пар — газообразное состояние воды: газ распространяется по доступному пространству.
4. При превращении льда в воду вещество переходит из твёрдого состояния в жидкое. Такой переход называется плавлением.

Ответ. В льду вода твёрдая, в стакане — жидкая, в водяном паре — газообразная; переход льда в воду называется плавлением. Во всех трёх случаях речь идёт об одном веществе — воде, а меняется расположение и движение его частиц. Поэтому при определении перехода важно назвать начальное и конечное состояния.

Задача 2

Условие. Объясните, почему мокрая одежда высыхает и почему скорость высыхания увеличивается на ветру. Нужно связать исчезновение воды с переходом в газ и учесть условия, влияющие на этот процесс. Сам факт, что одежда не нагрета до кипения, испарению не мешает.

1. Вода в ткани находится в жидком состоянии, а её частицы непрерывно движутся.
2. Некоторые частицы у поверхности получают достаточно энергии и покидают жидкость. Это испарение, поэтому вода постепенно переходит в воздух в виде газа.
3. На ветру воздух у поверхности ткани постоянно заменяется менее влажным. В нём остаётся больше места для водяного пара, поэтому испарение обычно идёт быстрее.
4. Высокая температура также ускоряет движение частиц, а большая открытая поверхность ткани позволяет большему числу частиц покидать воду одновременно.

Ответ. Одежда высыхает из-за испарения воды с поверхности ткани; ветер ускоряет процесс, унося влажный воздух. Обычно сушке помогают также тепло и расправленная ткань с большой открытой поверхностью. Испарение возможно и тогда, когда вода не кипит.

Задача 3

Условие. На холодном стекле появились капли воды, а в морозильной камере образовался иней. Назовите процессы и определите направление перехода между агрегатными состояниями. Сначала выясним, в каком состоянии вещество было до образования каждого следа. Затем сопоставим исходное и конечное состояния с названиями процессов.

1. Капли на стекле — жидкая вода, а в воздухе до встречи со стеклом находился водяной пар.
2. Переход водяного пара в жидкую воду называется конденсацией. Охлаждение у стекла способствует тому, что частицы пара сближаются и образуют капли.
3. Иней состоит из твёрдой воды, а появляется из водяного пара воздуха.
4. Переход непосредственно из газа в твёрдое состояние, минуя жидкость, называется десублимацией.

Ответ. Капли на холодном стекле образуются при конденсации: газ переходит в жидкость. Иней возникает при десублимации: газ сразу переходит в твёрдое состояние. Направление перехода определили по тому, что было в воздухе сначала и что появилось в итоге.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что испарение возможно только при температуре кипения. Её допускают, потому что часто видят испарение воды во время кипения и смешивают два процесса. Проверьте себя вопросом: может ли высохнуть лужа в прохладный день? Может — значит, испарение бывает и без кипения.

Ошибка: путать испарение с кипением. В обоих случаях жидкость переходит в газ, поэтому их легко объединить одним названием, но испарение идёт с поверхности, а кипение — во всём объёме жидкости. Чтобы проверить себя, спросите, где возникают пузырьки пара: если их нет и вода уходит с поверхности, это испарение.

Ошибка: называть переход жидкости в газ плавлением, а переход газа в жидкость — замерзанием. Так бывает, если запомнить слова без направления перехода: плавление ведёт из твёрдого состояния в жидкое, а замерзание, или кристаллизация, — из жидкого в твёрдое. Сверьте исходное и конечное состояния с определением процесса.

Ошибка: думать, что при переходе в газ частицы вещества исчезают или становятся другими. Такое представление возникает, потому что газ невидим или его труднее заметить, чем жидкость. Проверьте рассуждение: при испарении меняются расстояния и движение частиц, но само вещество сохраняется; водяной пар по-прежнему состоит из частиц воды.

Связь с другими темами

Чтобы понять агрегатные состояния, нужны знания о молекулах и атомах, их тепловом движении и взаимодействии. Эти представления пригодятся при изучении температуры плавления и кипения, тепловых явлений и разделения смесей. Испарение и конденсация помогают объяснить круговорот воды в природе и образование облаков. Те же переходы учитывают при работе холодильных установок.

Что запомнить

• Вещество может находиться в твёрдом, жидком или газообразном состоянии.
• В твёрдом состоянии частицы расположены близко и колеблются около определённых положений.
• В жидкости частицы расположены близко, но могут перемещаться относительно друг друга.
• В газе частицы находятся далеко друг от друга и движутся почти свободно.
• Плавление — переход из твёрдого состояния в жидкое, а кристаллизация — обратный переход.
• Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре, а кипение — во всём объёме.
• Конденсация, сублимация и десублимация описывают переходы между агрегатными состояниями в разных направлениях.