Три состояния воды

Определения и обозначения

Твёрдое состояние воды — состояние, в котором лёд сохраняет собственную форму и объём. Например, кусочек льда не принимает форму тарелки, куда его положили. Это свойство помогает отличить твёрдое тело от жидкости.

Жидкое состояние воды — состояние, в котором вода сохраняет объём, но принимает форму сосуда. Если перелить воду из стакана в миску, она изменит форму, но не перестанет быть жидкостью. По этому признаку можно понять, почему жидкость не имеет собственной постоянной формы.

Газообразное состояние воды — состояние, в котором водяной пар не сохраняет ни форму, ни объём и распространяется в окружающем пространстве. Он смешивается с воздухом и обычно невидим. Это определение помогает не путать сам пар с видимым облачком из капель.

Переходы воды из одного состояния в другое — изменения, при которых вода становится льдом, жидкостью или паром. Плавление превращает лёд в воду, затвердевание — воду в лёд, испарение — воду в пар, а конденсация — пар в жидкость. Названия переходов позволяют точно описывать, что происходит при нагревании и охлаждении.

Как это устроено

В природе вода встречается во всех трёх состояниях: снег и лёд — твёрдая вода, реки и капли — жидкая, водяной пар в воздухе — газообразная. Такое разнообразие возникает потому, что вода нагревается и охлаждается в разных местах и условиях. Например, на холоде вода замерзает, а с поверхности озёр и почвы постепенно испаряется. Поэтому разные состояния воды можно наблюдать одновременно и в окружающей среде.

Состояние воды зависит от того, как расположены и движутся её мельчайшие частицы. В твёрдом состоянии они удерживаются около своих мест, поэтому лёд сохраняет форму. В жидкой воде частицы могут перемещаться относительно друг друга, и вода течёт, принимая очертания сосуда. В газообразном состоянии частицы свободно перемещаются и распространяются в доступном пространстве. Разница в движении частиц объясняет, почему лёд, вода и пар ведут себя по-разному.

Когда лёд нагревается, его частицы начинают двигаться активнее и уже не удерживаются в прежнем твёрдом порядке: происходит плавление. Получившаяся вода при дальнейшем нагревании испаряется с поверхности и становится водяным паром. Для испарения не обязательно доводить воду до кипения, потому что частицы с поверхности могут покидать жидкость и при более низкой температуре. Так нагретая вода постепенно переходит из жидкого состояния в газообразное.

При охлаждении движение частиц замедляется, поэтому водяной пар может превратиться в жидкие капли. Этот переход называется конденсацией: например, капли возникают, когда влажный воздух соприкасается с холодной поверхностью. Если продолжать охлаждать жидкую воду, она замёрзнет и станет льдом — это затвердевание. Оба перехода происходят при потере тепла, но приводят к разным состояниям.

При плавлении, испарении, конденсации и затвердевании меняется состояние воды, а не само вещество. Поэтому лёд, жидкая вода и водяной пар состоят из одного и того же вещества — воды. В природе переходы между состояниями постоянно повторяются: вода испаряется, охлаждается и возвращается в виде капель или осадков. Эта непрерывная смена состояний является частью круговорота воды.

Три состояния воды и переходы между ними

Сначала найди в таблице состояние или переход, затем сравни форму и объём с тем, что наблюдаешь. В последнем столбце указано, что происходит при нагревании или охлаждении. Так можно не перепутать похожие переходы: например, конденсацию и затвердевание.

Разбор задач

Задача 1. Сравни кусочек льда и воду в стакане: что произойдёт с их формой при помещении в сосуд?

1. Определяем состояния: кусочек льда — твёрдое тело, вода в стакане — жидкость. Эти состояния по-разному ведут себя при помещении в ёмкость.
2. Вспоминаем свойства твёрдой воды: лёд сохраняет свою форму и объём. Поэтому в сосуде он останется кусочком прежней формы, если не начнёт таять.
3. Жидкая вода сохраняет объём, но принимает форму сосуда. Значит, при переливании она растечётся по его дну и стенкам.

Ответ: лёд сохраняет собственную форму, а жидкая вода принимает форму сосуда, сохраняя объём.

Задача 2. На холодном стекле появились капли. Объясни, откуда они взялись и как называется этот переход.

1. Проверяем, что наблюдаем: капли на стекле — это жидкая вода, а не лёд. Значит, вода появилась из другого состояния.
2. В воздухе есть невидимый водяной пар. Соприкасаясь с холодным стеклом, он охлаждается, и частицы воды переходят из газа в жидкость.
3. Переход водяного пара в капли жидкости называется конденсацией. Стекло не создаёт воду, а служит холодной поверхностью, на которой пар превращается в капли.

Ответ: капли образовались из водяного пара при охлаждении; этот переход называется конденсацией.

Задача 3. Лёд нагревают до таяния, затем нагревают воду, а пар охлаждают. Проследи последовательность состояний и переходов.

1. Начинаем со льда, то есть с твёрдого состояния. При нагревании лёд тает: плавится и становится жидкой водой.
2. Затем нагревают воду. Часть её испаряется с поверхности и переходит в газообразное состояние — становится водяным паром.
3. Пар охлаждают, поэтому он конденсируется и превращается в жидкие капли. Видимое белое облачко, которое может появиться, состоит из капель, а не из невидимого пара.

Ответ: лёд — плавление → жидкая вода — испарение → водяной пар — конденсация → капли воды.

Типичные ошибки

• Ошибка: считать белое облачко над чайником водяным паром. Его часто называют паром, потому что оно появляется рядом с горячей водой. Но сам водяной пар невидим, а облачко состоит из мельчайших капель, образовавшихся при охлаждении. Проверь себя: различай газ и видимые капли жидкости.

• Ошибка: говорить, что жидкая вода совсем не имеет формы. Так можно решить, если сравнивать воду со льдом, который сохраняет очертания. У жидкости нет собственной постоянной формы, но она принимает форму сосуда и сохраняет объём. Проверь себя, перелив воду в ёмкость другой формы.

• Ошибка: путать испарение с кипением. При кипении заметно движение пузырьков, поэтому может показаться, что вода превращается в пар только тогда. Испарение происходит с поверхности жидкости и без кипения, например у лужи. Проверь себя: вода может постепенно исчезать и при обычной температуре.

• Ошибка: считать, что при плавлении или испарении вода перестаёт быть водой. Это впечатление возникает, потому что лёд, жидкость и газ выглядят по-разному. При переходе меняется состояние вещества, а не само вещество. Проверь себя: лёд при таянии становится водой, а вода при испарении — водяным паром.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в состояниях воды, нужно знать, что вода — одно вещество, которое может быть твёрдым, жидким и газообразным. Это знание помогает объяснить круговорот воды в природе: вода испаряется, в воздухе охлаждается и конденсируется, а затем возвращается на землю с осадками. Образование облаков и дождя связано с переходами между газообразным и жидким состояниями. Снег и лёд появляются, когда вода замерзает.

Что запомнить

• Вода бывает твёрдой, жидкой и газообразной.
• Лёд — твёрдая вода.
• Жидкая вода сохраняет объём, но принимает форму сосуда.
• Водяной пар невидим и распространяется в воздухе.
• При нагревании лёд плавится, а вода испаряется.
• При охлаждении пар конденсируется, а вода замерзает.
• Переходы между состояниями воды происходят в природе постоянно.