Агрегатные состояния вещества
Агрегатное состояние вещества определяется характером движения и взаимодействия его частиц. В рамках постулатов молекулярно-кинетической теории сравним строение и свойства твёрдых тел, жидкостей и газов.
Общие положения МКТ
Любое вещество состоит из частиц: атомов, молекул или ионов. Частицы непрерывно и хаотически движутся и взаимодействуют друг с другом. При нагревании средняя кинетическая энергия их движения увеличивается; связь температуры с движением частиц подробно рассматривается на странице температура и средняя кинетическая энергия.
Агрегатное состояние — состояние вещества, определяемое расстояниями между частицами, характером их движения и силами взаимодействия между ними. В школьной модели рассматривают твёрдое тело, жидкость и газ.
Чем сильнее влияние межмолекулярного взаимодействия по сравнению с движением частиц, тем более упорядочено вещество. В твёрдом теле частицы связаны сильнее всего, в газе — слабее всего.
| Состояние | Движение частиц | Взаимодействие | Форма и объём |
|---|---|---|---|
| Твёрдое тело | Колебания около положений равновесия | Сильное | Сохраняет форму и объём |
| Жидкость | Хаотическое движение с перескоками между соседями | Заметное | Сохраняет объём, принимает форму сосуда |
| Газ | Свободное хаотическое движение между столкновениями | Слабое на расстоянии | Не сохраняет форму и объём, заполняет сосуд |
Твёрдые тела
В кристаллическом твёрдом теле частицы расположены упорядоченно, образуя кристаллическую решётку. Каждая частица колеблется около определённого положения равновесия, но не покидает его при обычных условиях. Поэтому твёрдое тело сохраняет форму и объём, обладает упругостью и сопротивляется сжатию.
Кристаллы могут иметь разные физические свойства по разным направлениям. Например, теплопроводность или прочность иногда зависят от направления в кристалле. Такие тела называют анизотропными. Стекло, смола и некоторые пластмассы не имеют дальнего порядка в расположении частиц; их называют аморфными телами. Аморфное тело постепенно размягчается при нагревании, а не плавится при строго определённой температуре.
У твёрдого тела частицы не покоятся: они колеблются около положений равновесия. Неподвижным является только среднее положение частицы.
Жидкости
В жидкости частицы расположены близко друг к другу, поэтому силы взаимодействия ещё значительны. Однако частицы не закреплены в узлах решётки: они перемещаются, меняясь местами с соседними частицами. Этим объясняется текучесть жидкости.
Жидкость почти не сжимается, потому что промежутки между её частицами малы. Она сохраняет объём, но не сохраняет форму и принимает форму сосуда. На свободной поверхности проявляются поверхностное натяжение и смачивание; эти явления связаны с межмолекулярным взаимодействием.
Диффузия в жидкостях идёт медленнее, чем в газах, но быстрее при повышении температуры. Пример — постепенное распространение капли красителя в воде. Подробнее это явление разобрано на странице диффузия.
Почему жидкость сохраняет объём, но не сохраняет форму?
Газы
В газе расстояния между частицами во много раз больше размеров самих частиц. Частицы движутся хаотически, а взаимодействуют в основном во время коротких столкновений. Поэтому газ легко сжимается, расширяется и занимает весь доступный объём.
Газ не имеет собственной формы и уровня поверхности. Давление газа возникает из-за ударов молекул о стенки сосуда. При увеличении температуры частицы в среднем движутся быстрее, поэтому при постоянном объёме давление возрастает. Молекулярный смысл давления рассмотрен на странице давление газа с точки зрения МКТ.
Плотность газа обычно значительно меньше плотности жидкости и твёрдого тела. Газ можно считать идеальным, если размерами его молекул и силами их взаимодействия вне столкновений можно пренебречь. Такая модель подробно изложена на странице модель идеального газа.
В реальных условиях свойства газа могут заметно отличаться от идеальной модели, особенно при больших давлениях и низких температурах. Тогда используют представления о реальном газе.
Сравнение состояний и переходы между ними
Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое называют фазовым переходом. Плавление — переход из твёрдого состояния в жидкое, кристаллизация — обратный процесс. Парообразование включает испарение с поверхности жидкости и кипение во всём объёме; обратный переход называют конденсацией. Переход твёрдого тела сразу в газ называют сублимацией, обратный переход — десублимацией.
При фазовом переходе температура чистого кристаллического вещества при постоянном давлении обычно остаётся постоянной, пока преобразуется всё вещество. Подводимая энергия расходуется на изменение взаимодействия и расположения частиц. Для аморфного тела нет одной точной температуры плавления: оно размягчается в интервале температур.
В сосуде объёмом \(V_1=2\ \text{м}^3\) находится газ массой \(m=4\ \text{кг}\). Газ переносят в сосуд объёмом \(V_2=8\ \text{м}^3\). Найдём плотность до и после расширения.
1. Нельзя говорить, что частицы газа «не взаимодействуют вообще»: столкновения происходят. 2. Нагревание не означает обязательное расширение: расширение зависит от условий, например от возможности двигаться поршню. 3. В жидкости частицы не стоят неподвижно. 4. При расширении газа его масса не меняется, если газ не выходит из сосуда, а плотность меняется из-за изменения объёма.
Сначала определите состояние вещества по трём признакам: расстояния между частицами, характер движения и сила взаимодействия. Затем проверьте макроскопические свойства: сохраняются ли форма, объём и сжимаемость. В расчётах переводите величины в СИ и выбирайте формулу по определению.
Quick-test
Проверьте себя
Главное
- В твёрдом теле частицы сильно взаимодействуют и колеблются около положений равновесия; тело сохраняет форму и объём.
- В жидкости частицы расположены близко, но перемещаются друг относительно друга; жидкость сохраняет объём и принимает форму сосуда.
- В газе частицы находятся далеко друг от друга и свободно движутся; газ не сохраняет форму и объём, заполняя сосуд.
- Плотность определяется формулой \(\rho=m/V\). При неизменной массе увеличение объёма уменьшает плотность.
- Агрегатные состояния различаются не только внешними свойствами, но и расстояниями, движением и взаимодействием частиц.