Свойства вещества в разных агрегатных состояниях

п.1. Общая характеристика агрегатных состояний вещества

Особенности теплового движения молекул обусловлены природой их взаимодействия. Силы взаимодействия являются электромагнитными, быстродействующими и существенно зависят от расстояний.

Если расстояние между молекулами в несколько раз превышает их размеры, взаимодействие настолько мало, что им можно пренебречь. При уменьшении расстояния притяжение молекул растёт за счет перекрытия электронных орбит и появления «общих» электронов у атомов различных молекул (возникновения ковалентных связей). Однако, при дальнейшем сближении начинают преобладать силы отталкивания между одноименно заряженными ядрами атомов.

При переходе из одного агрегатного состояния в другое разные части вещества могут находиться в разных состояниях. Например, при таянии кусочки льда будут плавать в воде. А при кипении пузырьки пара подниматься в жидкости наверх.

При плавлении лед и вода образуют двухфазную систему.

Система «лед – вода – влажный воздух» является трёхфазной.

Все фазы в системе находятся в равновесии, которое называют термодинамическим.

Для описания степени упорядоченности частиц в веществе используются понятия ближнего и дальнего порядка.

Ближним порядком обладают твердые тела (кристаллические и аморфные) и жидкости.

Дальним порядком обладают кристаллические твердые тела.

п.2. Свойства твердых тел

В твердых телах частицы (молекулы, атомы, ионы) расположены так близко друг от друга, что силы притяжения уравновешиваются силами отталкивания. Частицы колеблются вокруг определенной точки и не могут далеко переместиться от нее. Поэтому твердое тело сохраняет не только объем, но и форму.

Различают кристаллические и аморфные твердые тела.

В кристаллических телах частицы образуют «решетки», которые имеют ближний и дальний порядок. В аморфных телах сохраняется только ближний порядок; их структура напоминает жидкости.

Атомная структура кристаллического твердого тела

Атомная структура аморфного твердого тела

Различия в упорядоченности структуры приводят к следующим характерным особенностям кристаллических и аморфных твердых тел.

п.3. Свойства жидкостей

Частицы вещества (атомы или молекулы) в жидком состоянии не имеют определенного положения, но и не могут свободно перемещаться по всему объему. Они колеблются около положения равновесия и совершают частые перескоки из одного положения равновесия в другое.

Частицы не расходятся на большие расстояния, поэтому жидкость сохраняет свой объем, но не сохраняет форму. Она принимает форму сосуда и образует поверхность.

В жидкости сохраняется ближний порядок. Между частицами существует притяжение, достаточно сильное, чтобы удержать их на близком расстоянии. За счет притяжения молекулы жидкости могут образовывать кластеры.

п.4. Свойства газов

В газе расстояния между частицами (атомами или молекулами) намного больше размеров самих частиц.

Частицы газа, двигаясь во всех направлениях, почти не притягиваются друг к другу и заполняют весь предоставленный им объем. Поэтому газ не имеет собственной формы и постоянного объема. Он заполняет весь предоставленный объем.

Физические свойства газов не зависят от направления, т.е. для них характерна изотропия.

В газах нет ни ближнего, ни дальнего порядка в расположении частиц.

Из всех агрегатных состояний газ является наиболее простым для изучения, построения математических моделей и практического применения в машинах и механизмах. Начало систематического изучения газов было положено экспериментами Торричелли и Герике в XVII веке. Спустя сто лет, накопленные знания позволили построить паровые машины, которые изменили облик цивилизации. На сегодняшний день эти машины продолжают широко использоваться в виде паровых турбин в энергетике и крупном транспортном машиностроении.

п.5. Свойства плазмы

Для плазмы характерны: свечение, сильное взаимодействие с электрическим и магнитным полями, высокая электропроводность.

Заряженные частицы плазмы взаимодействуют друг с другом на больших расстояниях.

В плазме нет ни ближнего, ни дальнего порядка в расположении частиц.

Это интересно

Выброс облака плазмы на Солнце

В современной науке принято различать «обычное вещество» и «тёмное вещество». О тёмном веществе нам пока мало что известно, но, по оценкам, его во Вселенной в 5,5 раз больше, чем обычного вещества. Хотя на Земле мы чаще встречаемся с другими агрегатными состояниями, во Вселенной 99,9% «обычного вещества» находится в состоянии плазмы. Все звезды состоят из плазмы, межзвездное пространство также заполнено плазмой, хотя и очень разреженной.

п.6. Задачи

Задача 1. Дайте характеристику трем основным агрегатным состояниям вещества по следующим признакам: степень упорядоченности молекул, соотношение размеров молекул и расстояний между ними, характер движения, сохранение формы, сохранение объема, сжимаемость.

Задача 2. Закрытую пластиковую бутылку, доверху наполненную водой, трудно сжать. Такую же бутылку, наполненную водой наполовину, сжать её гораздо проще. Почему?

Сжать бутылку с водой трудно, т.к. жидкости плохо сжимаются. Расстояния между молекулами в жидкостях невелики, и при сжатии они сближаются на такие расстояния, где силы взаимного отталкивания превышают силы притяжения.

Сжать пустую бутылку (с воздухом) проще. Расстояния между молекулами в газе очень большие, и газ легко сжимается.