§ 21. Твёрдые тела, жидкости и газы

Определения и обозначения

Твёрдое тело сохраняет собственную форму и объём. Если положить его в сосуд другой формы, оно не станет повторять очертания стенок, а останется таким же куском или предметом. Это свойство помогает отличить твёрдое тело, например камень, от жидкости, которая растекается внутри сосуда.

Жидкость сохраняет объём, но принимает форму сосуда и может течь. Перелитая вода меняет очертания, однако количество места, которое она занимает, в обычных условиях остаётся прежним. Поэтому форму и объём нужно рассматривать отдельно: изменение одного не означает, что изменился другой.

Газ не сохраняет ни собственной формы, ни объёма и заполняет весь предоставленный ему сосуд. Воздух в бутылке распространяется по всему её внутреннему пространству, а не собирается только внизу. Это свойство отличает газ и от твёрдого тела, и от жидкости.

Агрегатное состояние — состояние вещества, которое проявляется в его свойствах и зависит от расположения и движения частиц. Простыми словами, это то, в каком виде вещество существует: как твёрдое тело, жидкость или газ. Понятие помогает сравнивать вещества и объяснять, почему одно и то же вещество ведёт себя по-разному.

Как это устроено

Вещества состоят из очень маленьких частиц, хотя обычно мы не видим их по отдельности. Поэтому видимая гладкость предмета ещё не говорит о том, что внутри него вещество представляет собой сплошную неподвижную массу. Свойства вещества зависят от того, как частицы расположены и движутся. Эта модель позволяет объяснить наблюдаемые различия между твёрдым телом, жидкостью и газом.

В твёрдом теле частицы расположены близко и сохраняют определённый порядок. Они не могут свободно перемещаться с места на место, но колеблются около своих положений. Соседние частицы удерживают друг друга, поэтому тело не растекается и не меняет форму вслед за сосудом. Близкое расположение частиц также помогает твёрдому телу сохранять объём.

В жидкости частицы тоже находятся близко, поэтому жидкость не расширяется сама по себе, заполняя всё пространство. Но их расположение не такое устойчивое, как в твёрдом теле: частицы могут перемещаться относительно соседних. Из-за этого вода течёт и принимает очертания сосуда. При этом количество жидкости остаётся тем же, если её не пролить и не добавить.

В газе частицы находятся далеко друг от друга и движутся свободно в разных направлениях. Поэтому газ распространяется по всему доступному пространству, а его собственные форма и объём не сохраняются. Между частицами много свободного места, и при сжатии их можно сблизить. По этой причине воздух в закрытом шприце удаётся заметно сжать, хотя вода в таком же шприце почти не поддаётся сжатию.

Одно и то же вещество может существовать в разных агрегатных состояниях. Вода в виде льда — твёрдое тело: лёд сохраняет форму и объём. Жидкая вода сохраняет объём, но принимает форму сосуда, а водяной пар является газом и распространяется в доступном пространстве. Значит, состояние вещества связано с тем, как ведут себя его частицы, и может изменяться.

Сравнение твёрдых тел, жидкостей и газов

Сначала выясни, сохраняет ли вещество форму и объём, а затем посмотри, как оно ведёт себя в сосуде. Если нужно сравнить сжимаемость или устройство вещества, используй последние две строки. Таблица показывает общие свойства состояний, но не означает, что все вещества ведут себя абсолютно одинаково при любых условиях.

Разбор задач

Кусок льда, вода в стакане и воздух в закрытой бутылке

Условие. Сравни кусок льда, воду в стакане и воздух в закрытой бутылке: укажи агрегатное состояние каждого вещества и одно характерное свойство. Чтобы не перепутать форму и объём, рассуждай по тому, как каждый образец ведёт себя в своей ёмкости. Состояние определяем по свойствам, а не по тому, виден ли образец.

1. Лёд не повторяет форму стакана и сохраняет собственную форму, поэтому это твёрдое тело.
2. Вода принимает форму стакана, но её объём сохраняется, поэтому это жидкость.
3. Воздух — газ: он заполняет доступную внутреннюю часть бутылки, хотя сам по себе может быть невидим.

Ответ. Лёд — твёрдое тело, сохраняющее форму; вода — жидкость, принимающая форму стакана; воздух — газ, заполняющий бутылку. Прозрачность воздуха не мешает ему занимать пространство: состояние определяют по его свойствам.

Воду перелили из стакана в миску

Условие. Воду перелили из узкого стакана в широкую миску. Определи, что изменилось, а что осталось прежним, и объясни ответ. Сравни не только очертания воды, но и количество места, которое она занимает. Так можно не принять изменение формы за изменение объёма.

1. После переливания вода распределилась по дну миски, значит, её форма изменилась.
2. Вода осталась жидкостью и не испарилась и не пролилась, поэтому её объём в обычных условиях сохранился.
3. Такое поведение объясняется подвижностью частиц жидкости: они могут перемещаться, но находятся близко друг к другу.

Ответ. Изменилась форма воды: теперь она соответствует миске. Объём остался прежним, потому что жидкость сохраняет объём и при переливании не была потеряна.

Воздух и вода в закрытом шприце

Условие. Воздух в шприце с закрытым наконечником сжали, передвинув поршень. Объясни, почему это удалось, и сравни с попыткой сжать воду в таком же шприце. Важно, что наконечник закрыт: содержимое не выходит наружу, а изменение происходит за счёт движения поршня.

1. При сдвигании поршня свободное пространство внутри шприца уменьшается.
2. Частицы воздуха находятся далеко друг от друга, поэтому расстояние между ними можно уменьшить: газ сжимается.
3. В воде частицы расположены близко, и свободного места между ними мало, поэтому воду сжать таким же движением поршня гораздо труднее.

Ответ. Воздух сжимается, потому что между его частицами есть достаточно свободного пространства. Вода сжимается намного труднее, так как её частицы уже расположены близко друг к другу.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что жидкость не имеет объёма, раз она принимает форму сосуда. Так думают, потому что после переливания меняются очертания воды. Проверь себя: если жидкость не пролилась и не испарилась, она занимает прежний объём, хотя распределяется иначе.

Ошибка — думать, что газ бывает только в виде видимого облака. Некоторые газы заметны, а многие, например воздух, прозрачны и невидимы, поэтому газ легко не заметить. Проверка простая: не суди только по внешнему виду — учитывай, что воздух заполняет комнату или закрытый сосуд.

Ошибка — путать водяной пар с белым облачком над кипящей водой. Путаница возникает потому, что облачко появляется рядом с чайником, где образуется пар. Сам пар невидим, а белое облачко состоит из мельчайших капель жидкой воды, возникших при охлаждении. Различай газообразную воду и видимые капельки.

Ошибка — считать частицы твёрдого тела совсем неподвижными. Их устойчивое расположение можно ошибочно принять за полное отсутствие движения. На самом деле частицы колеблются около своих мест, но не перемещаются свободно, как частицы газа. Чтобы проверить себя, разделяй колебание около места и свободное перемещение.

Связь с другими темами

Для понимания этой темы нужно знать, что вещества состоят из частиц и могут обладать разными свойствами. Представление о частицах помогает объяснить растворение веществ и распространение запахов: частицы могут перемещаться и смешиваться с другими частицами. Оно же объясняет, почему воздух удаётся сжать сильнее, чем воду.

Эти знания пригодятся при изучении нагревания и охлаждения. Когда условия меняются, вещество может перейти из одного агрегатного состояния в другое: например, вода бывает льдом, жидкостью и водяным паром. Сравнение состояний помогает описывать такие переходы через свойства вещества и поведение его частиц.

Что запомнить

• Твёрдые тела сохраняют форму и объём.
• Жидкости сохраняют объём, но принимают форму сосуда.
• Газы не сохраняют ни форму, ни объём.
• Газ заполняет всё доступное ему пространство.
• Частицы твёрдого тела колеблются около своих мест.
• Частицы жидкости могут перемещаться, а частицы газа движутся свободно.
• Одно и то же вещество может существовать в разных агрегатных состояниях.