Агрегатные состояния вещества

Можно ли твердое сделать жидким, а жидкое – твердым, и главное, что для этого нужно? Ответы на эти вопросы дает изучение одной из первых и важных тем в школьном курсе физике – агрегатные состояния вещества. В дальнейшем знания об этом помогают разобраться в сложных физических процессах, лучше усвоить законы химии, а также понять поведение тех или иных веществ в различных обстоятельствах. 

Что такое агрегатные состояния вещества в физике

Агрегатные состояния вещества – это физическое состояние какого-либо вещества (материи), зависящее от внешних условий: от температуры, давления. 

Полезная информация об агрегатных состояниях вещества

В таблице ниже мы расскажем об интересных особенностях агрегатных состояний.

Типы агрегатных состояний вещества

Рассмотрим три самых известных агрегатных состояния вещества, а также узнаем про их свойства и возможности.

Твердое состояние

Вещества в твердом состоянии окружают нас повсюду: железо, мел, лед, драгоценные камни, все кристаллы, соль (поликристаллы) и так далее. Их агрегатное состояние очень легко распознать: они твердые, потому что имеют постоянную форму и объем, а чтобы это изменить, нужно приложить усилие, затратить энергию. Твердое состояние вещества характеризуется рядом уникальных свойств, которые отличают его от жидкого и газообразного состояний. Вот основные свойства твердых тел.

Свойства

Каждое твердое тело (вещество) имеет твердость. Чем более твердое тело, тем сложнее оно царапается. Одно из самых твердых веществ – алмаз, это благодаря его особой кристаллической структуре.

Твердые тела сохраняют форму и объем, потому что имеют внутренний порядок (дальний порядок) в расположении частиц – кристаллическую решетку, в которой молекулы или атомы находятся близко друг к другу.

Находясь в твердом состоянии вещества обладают упругостью – способностью восстанавливать свою первоначальную форму после снятия определенных внешних нагрузок.

Плотность твердых тел обычно выше, чем жидких или газообразных. Также у каждой твердой материи есть определенная температура плавления, при которой она переходит в жидкое состояние.

Твердые вещества могут становится газообразными сразу, минуя жидкое состояние. Этот процесс называется сублимация. Обратный этому процесс – десублимация. Более подробно об этом расскажем далее.

Жидкое состояние

Жидкие вещества занимают промежуточное положение между твердыми и газообразными по своим свойствам. Так, большинство твердых веществ при определенной температуре переходят в состояние жидкости и лишь потом в состояние газа. Жидкости представляют собой динамическую систему, сочетающую некоторые черты твердых тел (сохранение объема) и газов (неопределенность формы).

Свойства

Жидкости сохраняют свой объем, но легко меняют форму. Какой будет форма сосуда, такой формы и будет жидкость. Это связано с тем, что у жидкости ближний порядок в расположении частиц, они находятся рядом друг с другом.

Жидкость обладает вязкостью – сопротивлением течению. Чем больше вязкость, тем медленнее движется жидкость. Например, вода имеет низкую вязкость (легко течет), а масло – высокую (течет медленно).

Еще одно свойство жидкостей – поверхностное натяжение. Оно возникает из-за разницы в силах притяжения между молекулами на поверхности жидкости и внутри нее. Молекулы в поверхностном слое должны преодолевать более сильное притяжение со стороны нижележащих молекул, поэтому жидкость стремиться принять сферическую форму в состоянии свободного падения (невесомости). Оно проявляется как бы в виде пленки на поверхности жидкости, которая прогибается и может удерживать легкие предметы (например, иголку, клопа-водомера).

Жидкости, проводящие электрический ток, называются электролитами – это растворы солей, щелочей и кислот в воде. Электропроводность зависит от наличия ионов. Чистая (дистиллированная) вода практически не проводит электрический ток из-за отсутствие ионосодержащих примесей. 

У классических агрегатных состояний вещества есть общее свойство – диффузия. В жидкостях она происходит медленнее, чем в газах, так как молекулы в жидкости движутся медленнее и расстояние между ними невелико.

Давление, производимое на жидкость или газ, передается во все стороны одинаково. Этот принцип используется в гидравлических системах и называется законом Паскаля.

Газообразное состояние

Газообразное агрегатное состояние характеризуется отсутствием четкой формы и объема вещества. В этом состоянии частицы вещества (атомы, молекулы) находятся на большом расстоянии друг от друга и движутся свободно, практически не взаимодействуя друг с другом, за исключением редких столкновений между собой, со стенками сосуда или находящимися в газообразной среде предметами.

Свойства

Газы занимают форму того сосуда, в котором находятся, и всегда стремятся заполнить весь объем. В газах диффузия протекает быстрее всего. Это связано с большим расстоянием между молекулами.

У веществ в газообразном состоянии самая маленькая плотность, она зависит от давления и температуры. Чем выше температура, тем больше скорость движения молекул – соответственно, больше давление при одном и том же занимаемом газом объеме. Газообразные вещества можно сжимать до меньших объемов путем увеличения давления и охлаждения.

Есть общее для жидкостей и газов свойство – броуновское движение. Оно возникает из-за беспорядочного движения мелких взвешенных частиц вещества (пыль, частицы сажи, пыльца растений) в жидкости или газе, вызванного непрерывными беспорядочными соударениями этих частиц с молекулами жидкости или газа.

Идеальный газ – это модель газа, в которой пренебрегают потенциальным взаимодействием молекул газа между собой и считают, что молекулы или атомы газа не имеют размеров. Эта модель позволяет описывать многие свойства реальных газов с достаточной точностью. Ближе всего к идеальному газу гелий и водород при обычных земных условиях.

Фазовые переходы агрегатных состояний веществ

Фазовый переход – это процесс изменения агрегатного состояния вещества при изменении температуры, давления или других параметров. Фазовые переходы происходят при определенных условиях и сопровождаются изменением внутренней структуры вещества. Существует несколько типов фазовых переходов.

1. Плавление – переход твердого вещества в жидкое под воздействием температуры. Обратный этому процесс называется отвердеванием (кристаллизацией) – он происходит при охлаждении жидкости до температуры замерзания.
2. Парообразование – переход жидкого вещества в состояние газа. Различают испарение и кипение. Испарение может происходить при любой температуре, но ускоряется при нагревании, наличии ветра или увеличении свободной поверхности жидкости. Кипение – процесс бурного перехода жидкости в пар, сопровождается образованием пузырьков пара внутри и на поверхности жидкости. Кипение происходит при определенной температуре (температуре кипения) и зависит от внешнего давления на жидкость. Чем оно меньше, тем при меньшей температуре жидкость закипит.
3. Конденсация, или превращение газа в жидкость. Этот процесс обратный процессу парообразования. При конденсации выделяется тепло, затраченное на парообразование.

это интересно

Физические величины

Что это такое, какие бывают, в чем измеряются и для чего нужны

Подробнее

Сублимация и десублимация

Сублимация и десублимация – это два противоположных процесса, связанных с переходом вещества напрямую из твердого состояния в газообразное и наоборот, минуя жидкую фазу. Основные отличия сублимации и десублимации заключаются в направлении перехода фаз и в условиях, необходимых для осуществления каждого процесса

Сублимацией называется процесс, при котором вещество переходит из твердого состояния в газообразное. При сублимации молекулы вещества, находящиеся в твердом состоянии, получают достаточно энергии (например, от нагрева) для преодоления межмолекулярных сил, удерживающих их вместе. Однако эта энергия недостаточна для образования жидкой фазы. Вместо этого молекулы переходят сразу в газовое состояние, распределяясь равномерно в пространстве. Сублимация возможна только при низких давлениях и (или) при специфической температуре, когда вещество находится вблизи своей тройной точки (точка, в которой три фазы – твердая, жидкая и газовая – существуют одновременно).

Сублимацию используют в различных областях сферах. При производстве пищевых продуктов сублимированная пища (например, фрукты, овощи, мясо) сохраняет свои вкусовые качества и питательные вещества, поскольку вода из них удаляется без применения высокой температуры. В химической промышленности с помощью сублимационной сушки можно очищать и разделять различные химические соединения. В фармпроизводстве некоторые лекарства выпускаются в виде таблеток, которые сублимируются при контакте с влагой, облегчая их прием.

Десублимация, или осаждение, – это процесс, обратный сублимации, при котором газообразное вещество переходит в твердую фазу, минуя жидкое состояние. При десублимации молекулы газа теряют энергию (например, через охлаждение) и начинают объединяться, образуя кристаллические структуры. Как и сублимация, десублимация требует специальных условий температуры и давления. Обычно она происходит при очень низких температурах или высоком вакууме (бывает, что нужны оба условия для осуществления десублимации). Десублимация применяется, например, для создания кристаллов и полупроводников, в нефтеперерабатывающей промышленности – для разделения нефтепродуктов на различные фракции, а в пищевой – для получения чистой пищевой соли.

Таблица со сравнительной характеристикой агрегатных состояний вещества

Основные характеристики для трех классических агрегатных состояния представлены в таблице ниже.

Задачи по теме «Агрегатные состояния вещества»

Выполним несколько задач.

Задача 1

Почему зимой окна автомобиля часто покрываются льдом?

Задача 2

4 января Лена и Маша отправились на день рождения к подруге, в качестве подарка захватив гелиевые шарики на лентах. Путь предстоял недолгий, и подруги решили не упаковывать шарики в бумагу. Однако по пути пришлось немного задержаться, и девочки пришли чуть позже, чем хотели. Подойдя к дому подруги они заметили, что шарики сдулись и скукожились. Девчонок обуяла грусть, потому что испортить подарок подруге было очень обидно. Однако когда Лена и Маша зашли в кафе, где подруга праздновала день рождения, шарики вернулись к первоначальному состоянию.

Что произошло с шариками от момента их надутия до вручения подруге?  Опишите происходящие процессы.

Задача 3 

Эта задача требует знаний о теплоте.

Готовясь к олимпиаде по физике, Толя решил провести опыт. Он взял кусочек льда массой 150 граммов и начал его нагревать, желая превратить в воду. Какова была начальная температура льда, если известно, что для повышения температуры до 0 градусов по Цельсию потребовалось 21 кДж теплоты?
Удельная теплоемкость льда равна 2100 Дж/(кг·°C)

Ответы к задачам

Разберем решение каждой задачи.

Задача 1

Вспомним про фазовые переходы агрегатных состояний веществ, а именно про конденсацию. В воздухе содержится водяной пар. Когда температура снаружи автомобиля падает ниже нуля градусов Цельсия, водяной пар, содержащийся в воздухе, соприкасается с холодным автомобильным стеклом, конденсируется и образует капли воды. Эти капельки воды замерзают, превращаясь в лед.
Также конденсат может образовываться с внутренней стороны стекол, если внутри влажно. Тогда окна запотевают. 

Ответ: зимой автомобильные стекла покрываются льдом из-за конденсации водяного пара, содержащегося в воздухе, и последующего замерзания капель конденсата.

Задача 2

Гелий – газ очень близкий к идеальному, поэтому ведет себя достаточно просто и понятно. Ранее в статье мы выяснили, что агрегатное состояние вещества и его поведение зависит от температуры и давления. Также знаем, что в газах давление, оказываемое на стенки и дно сосуда, передается по всем направлениям одинаково. Когда надутые шарики вынесли на улицу из теплого помещения, они стали остывать, их температура опустилась, молекулы газа стали двигаться медленнее, давление на стенки каждого шарика уменьшилось,  газ стал сжиматься. Как следствие, шарики немного сдулись и покрылись морщинками. Когда девочки зашли в теплое помещение, температура шариков стала подниматься до температуры помещения, молекулы газа от нагрева стали двигаться быстрее, давление на стенки шариков возросло и вернулось к начальному, поэтому шарики приобрели прежний вид.

Ответ: из-за воздействия холодного воздуха давление газа на стенки шариков снизилось и они скукожились. Но когда шарики вернули в теплую среду, давление гелия внутри шариков увеличилось, и они вернулись к первоначальному виду.

Задача 3

Воспользуемся формулой для расчета количества теплоты:

Q = m×c(t2-t1),

где Q – количество теплоты, m – масса льда, c – удельная теплоемкость и t2-t1 – изменение температуры.

Все данные известны, необходимо найти t1. Выразим t1 через формулу:

t2-t1 = Q/(mc),

следовательно t1 = t2-(Q/mc) = 0 — 21000/(0,15×2100) = -70. Получается, начальная температура льда была -70 градусов Цельсия.

Ответ: -70 градусов Цельсия

Популярные вопросы и ответы