РАЗДЕЛ 2. Состояния и процессы

Определения и обозначения

Вещество — то, из чего состоят тела. Например, вода может быть льдом, жидкостью или водяным паром: состояние меняется, а вещество остаётся водой. Это понятие помогает отличать материал тела от его формы и размера.

Агрегатное состояние — состояние вещества, определяемое расположением, движением и взаимодействием его частиц. Основные состояния — твёрдое, жидкое и газообразное. Такое определение помогает объяснить, почему одно вещество может выглядеть и вести себя по-разному.

Физический процесс — изменение состояния, формы, положения или других свойств тела без превращения вещества в новое. Так, при таянии льда получается вода, а не другое вещество. Понятие нужно, чтобы отличать физические изменения от химических превращений.

Переходы между состояниями — изменения состояния вещества: плавление — переход из твёрдого состояния в жидкое, замерзание — из жидкого в твёрдое, испарение и кипение — из жидкого в газообразное, конденсация — из газообразного в жидкое. Понимание направления перехода позволяет описывать, что происходит с веществом при нагревании или охлаждении.

Как это устроено

Даже если тело лежит неподвижно, его частицы не замирают. Они постоянно движутся, потому что внутри вещества взаимодействуют друг с другом и обладают движением. Движение частиц не означает, что всё тело обязательно перемещается: частицы могут двигаться внутри него, пока оно сохраняет своё положение. Поэтому внешне неподвижное тело на самом деле состоит из движущихся частиц.

В твёрдом теле частицы расположены близко и удерживаются взаимодействием около определённых положений. Они главным образом колеблются, поэтому тело сохраняет свою форму и объём. В жидкости частицы тоже близки, но могут смещаться относительно соседних: жидкость течёт и принимает форму сосуда. В газе частицы находятся далеко друг от друга и свободно движутся, поэтому газ распространяется по всему доступному объёму.

При нагревании частицы движутся активнее. Если твёрдое вещество нагреть достаточно, оно может расплавиться; жидкость может испаряться, а при достижении определённой температуры — кипеть. При охлаждении движение частиц замедляется: газ может превратиться в жидкость при конденсации, а жидкость — затвердеть при замерзании. Переход зависит не просто от того, что тело стало теплее или холоднее, а от изменения состояния вещества.

Испарение происходит с поверхности жидкости и может идти при разных температурах. Кипение начинается при определённой для данных условий температуре и происходит не только на поверхности, но и во всём объёме жидкости. Поэтому появление пара над лужей — не то же самое, что бурление воды в кастрюле. В обоих случаях жидкость переходит в газ, но процесс идёт по-разному.

Многие физические процессы обратимы: например, вода может замёрзнуть, а лёд — растаять. Чтобы отличить физическое изменение от образования нового вещества, наблюдай, изменились ли состояние или форма и появились ли признаки нового вещества. При переходе воды изо льда в жидкость вещество остаётся водой. Если изменились только форма, состояние или положение тела, это обычно физический процесс, хотя одного внешнего признака не всегда достаточно, чтобы определить вид изменения.

Состояния вещества и переходы между ними

Чтобы определить состояние вещества, сначала сравни форму и объём тела с признаками в таблице, а затем проверь, как расположены и движутся его частицы. В строке о переходах перечислены возможные изменения: например, замерзание ведёт из жидкого состояния в твёрдое, а конденсация — из газообразного в жидкое. При нагревании или охлаждении вещество не обязано пройти все состояния подряд: возможны и другие переходы, например сублимация из твёрдого состояния в газообразное.

Разбор задач

Состояние воды в разных случаях

Условие. Определи состояние воды в льду, стакане и водяном паре и назови по одному признаку каждого состояния. Сначала нужно определить, какое состояние представлено в каждом случае. Затем выбери признак, который можно связать с поведением тела.

1. Лёд — твёрдое состояние: он сохраняет собственную форму.
2. Вода в стакане — жидкое состояние: она принимает форму сосуда, а её объём сохраняется приблизительно.
3. Водяной пар — газообразное состояние: газ не сохраняет собственную форму и занимает доступный объём.

Ответ. Лёд — твёрдый, вода в стакане — жидкая, водяной пар — газообразный. Для каждого примера состояние определено по наблюдаемому признаку, а не только по названию вещества. Во всех случаях речь идёт о воде.

Лужа, холодное стекло и морозильная камера

Условие. Объясни, какие процессы происходят с лужей после дождя, с каплями на холодном стекле и с водой в морозильной камере. Чтобы выбрать название процесса, проследи, в каком направлении меняется состояние воды. Переход из жидкости в газ отличается от перехода из газа в жидкость или из жидкости в твёрдое состояние.

1. Лужа постепенно уменьшается, потому что вода с её поверхности переходит в газ. Это испарение; оно может идти и без кипения.
2. Капли на холодном стекле появляются, когда водяной пар из воздуха охлаждается и становится жидкостью. Это конденсация.
3. В морозильной камере вода охлаждается и переходит из жидкого состояния в твёрдое. Этот процесс называют замерзанием.

Ответ. С лужей происходит испарение, на холодном стекле — конденсация, в морозильной камере — замерзание. Проверка простая: лужа переходит из жидкости в газ, пар — в жидкость, а вода — из жидкости в твёрдое состояние. Так можно не перепутать названия процессов.

Превращения воды при изменении температуры

Условие. Составь последовательность превращений воды при нагревании, охлаждении и повторном нагревании, указав, где возможно кипение. Удобно начать со льда и отмечать состояние после каждого перехода. Кипение следует назвать только для перехода жидкости в газ, который идёт во всём объёме.

1. При нагревании лёд плавится и становится жидкой водой.
2. При дальнейшем нагревании вода испаряется с поверхности; при определённой температуре возможно кипение во всём объёме.
3. При охлаждении водяной пар может конденсироваться в воду, а вода — замерзнуть и стать льдом.
4. При повторном нагревании лёд снова плавится, а получившаяся вода испаряется; при подходящих условиях она может закипеть.

Ответ. Последовательность при нагревании: лёд — плавление — вода — испарение или кипение — водяной пар. При охлаждении возможны конденсация и затем замерзание, а повторное нагревание снова ведёт к плавлению и переходу воды в газ. Испарение может происходить и до кипения, поскольку идёт с поверхности при разных температурах.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что при испарении исчезает само вещество. Так думают, потому что водяной пар обычно не виден, а лужа со временем пропадает. На самом деле вода переходит в газообразное состояние и смешивается с воздухом. Проверь себя: если закрыть влажное место от движения воздуха и дать воде собраться или сконденсироваться, её можно обнаружить снова.

Ошибка: путать испарение с кипением. Их смешивают, потому что оба процесса превращают жидкость в газ. Испарение идёт с поверхности при разных температурах, а кипение — во всём объёме при определённой температуре. Проверь себя вопросом: образуются ли пузырьки пара и происходит ли процесс по всему объёму жидкости?

Ошибка: утверждать, что газ не имеет массы. Газ трудно увидеть и удержать, поэтому может показаться, что его нет. Однако газ занимает объём и обладает массой, даже если его трудно заметить. Проверить это можно, сравнив массу надутого и сдутого шарика подходящими весами.

Ошибка: считать частицы твёрдого тела неподвижными. Тело сохраняет форму, поэтому кажется, что и его частицы совершенно покоятся. В действительности частицы постоянно движутся, главным образом колеблясь около своих положений. Проверь себя: сохранение формы говорит о прочном расположении частиц, а не об отсутствии их движения.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в состояниях вещества, нужно помнить, что тела состоят из веществ, а вещества — из частиц. Эти представления пригодятся при изучении круговорота воды в природе: испарение, конденсация и замерзание помогают объяснить появление водяного пара, облаков и льда. Они также связаны с темами погоды и образования облаков. Позже понимание переходов поможет изучать теплопередачу, агрегатные превращения и отличия физических изменений от химических.

Что запомнить

• Одно и то же вещество может находиться в разных агрегатных состояниях.
• Свойства состояния объясняются движением и взаимодействием частиц.
• Твёрдое тело сохраняет форму и объём.
• Жидкость сохраняет объём, но принимает форму сосуда.
• Газ не сохраняет форму и заполняет весь доступный объём.
• Испарение происходит с поверхности, а кипение — во всём объёме жидкости.
• При физических процессах новое вещество обычно не образуется.