Твёрдое тело, жидкость и газ

Три состояния одного вещества

Лёд можно взять в руку, жидкую воду — перелить, а водяной пар распределяется в окружающем воздухе. При этом во всех трёх случаях речь идёт об одном веществе — воде. Её молекулы имеют состав H₂O. Смена агрегатного состояния не превращает эти молекулы в молекулы другого вещества.

Агрегатное состояние — состояние вещества, которое проявляется в его свойствах: способности сохранять форму и объём, течь и сжиматься. В этом уроке рассматриваются три привычных состояния: твёрдое, жидкое и газообразное. В физике известны и другие состояния, например плазма, но сейчас они не нужны для объяснения наблюдений.

Состояние зависит от условий, прежде всего от температуры и давления. Поэтому неверно навсегда относить вещество к «твёрдым» или «жидким». Железо при обычных условиях твёрдое, но его можно расплавить. Вода может быть льдом, жидкостью или паром.

Разделяй вещество и состояние

«Вода» — название вещества; «жидкое» — его состояние. «Лёд» — привычное название воды в твёрдом состоянии. В разговоре словом «вода» часто называют только жидкость, но в физическом объяснении полезно говорить точнее.

Форма, объём и сжимаемость

Начать сравнение удобно с вопроса: что произойдёт, если поместить вещество в другой сосуд? Твёрдый предмет обычно сохранит очертания, жидкость примет форму занятой ею части сосуда, а газ распределится по всему доступному пространству.

Это сравнение относится к обычным условиям и умеренным воздействиям. «Сохраняет форму» не означает «никогда не деформируется». Металлическую проволоку можно согнуть. «Сохраняет объём» не означает «объём не зависит ни от чего»: при нагревании и изменении давления он может меняться.

Газ внутри закрытого сосуда имеет определённый объём, равный доступному объёму сосуда. Выражение «у газа нет собственного объёма» означает, что этот объём не закреплён за данной порцией газа так, как у жидкости при тех же условиях. Если освободить газу больше пространства, он заполнит и его.

Почему твёрдое тело держит форму

Частицы твёрдого тела связаны взаимодействием с соседними частицами. В обычном состоянии они не разлетаются по всему окружающему пространству, а совершают тепловые колебания около относительно устойчивых положений. Чтобы существенно изменить взаимное расположение частиц, требуется воздействие.

Именно поэтому кусочек льда или металлическая ложка сохраняют собственную форму и объём. Однако частицы в них не неподвижны. Видимый покой тела и отсутствие движения его частиц — разные утверждения.

Во многих твёрдых телах расположение частиц упорядочено. Такие тела называют кристаллическими. К ним относится обычный лёд. Порядок строения отражается, например, в симметрии снежинок. Есть и твёрдые тела без такого дальнего порядка, например обычное оконное стекло. Поэтому правильная решётка на учебной схеме — модель кристалла, а не универсальный рисунок любого твёрдого вещества.

Губку легко сжать, но это не делает её газом. Её твёрдый каркас изгибается, промежутки-поры уменьшаются, часть воздуха выходит. Сжимаемость пористого предмета нельзя напрямую приравнивать к сжимаемости вещества, из которого сделан его каркас.

Почему жидкость течёт

В жидкости частицы находятся близко друг к другу, но не закреплены навсегда возле одних и тех же соседей. Они движутся и меняют взаимное расположение. Поэтому одна часть жидкости может перемещаться относительно другой: жидкость течёт.

В обычном сосуде под действием тяжести жидкость занимает его нижнюю часть. Она принимает форму этой части сосуда. При этом её свободная поверхность в покое обычно почти горизонтальна; вблизи стенок заметны эффекты смачивания и поверхностного натяжения.

Если перелить одну порцию воды из узкого стакана в широкую чашу без потерь и при практически неизменной температуре, её объём останется тем же. Уровень изменится, потому что вода займёт другое пространство по ширине. Большая высота уровня сама по себе не доказывает больший объём.

В стакане было 250 мл воды. Всю воду перелили в более широкую чашу. В ней по-прежнему 250 мл, то есть 0,25 л. Положение уровня зависит от формы чаши. Сравнивать объём только по высоте можно лишь для одинаковых сосудов в одинаковом положении.

В модели на странице сосуд имеет прямые стенки и постоянную глубину. Когда ширина увеличивается вдвое, высота слоя воды уменьшается вдвое. Это наглядный частный случай, а не правило для любых сосудов: у чаши с расширяющимися стенками зависимость будет другой.

Жидкость трудно заметно сжать, поскольку её частицы уже расположены близко. Но «трудно сжать» не равно «абсолютно несжимаема»: при достаточно большом давлении изменение объёма всё же происходит.

Почему газ заполняет пространство

В разреженном газе расстояния между частицами обычно значительно больше их размеров. Частицы движутся в разных направлениях, сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда. Они не образуют устойчивого каркаса, который сохранял бы форму порции газа.

Если газу доступен весь сосуд, его частицы со временем распределяются по всему этому пространству. У газа нет собственной поверхности, похожей на поверхность воды в стакане. Газ может находиться над жидкостью, внутри пузырька или воздушного шара — границы ему задают окружающие тела и среды.

Газ можно заметно сжать. При движении поршня уменьшается доступный объём и среднее расстояние между частицами. Сами частицы при этом не сжимаются как мягкие резиновые шарики. Давление газа связано с его взаимодействием со стенками; для удержания сжатого газа приходится прикладывать усилие.

Пустой стакан обычно не пуст

В нём находится воздух — смесь газов. Невидимость не означает отсутствия вещества. Воздух занимает пространство, имеет массу и оказывает давление.

Кнопки «Воздух» и «Вода» в модели с поршнем сравнивают качественное поведение. Ползунок не показывает силу в ньютонах или давление в паскалях, поэтому по нему нельзя рассчитывать реальные изменения объёма. Для жидкости точки показывают лишь часть частиц, а цветной фон обозначает всё занятое ею пространство.

Что меняется на уровне частиц

Различие свойств объясняется не появлением «твёрдых молекул» и «жидких молекул», а различиями в расположении, движении и взаимодействии частиц. Молекула воды в составе льда и молекула воды в паре имеют один и тот же химический состав.

В твёрдом теле частицы колеблются около устойчивых положений. В жидкости они находятся близко, но могут менять соседей. В газе при обычных условиях они расположены значительно дальше друг от друга и свободно перемещаются между столкновениями.

Не следует сводить объяснение к одной фразе «в твёрдом всегда сильнее притяжение». Важны строение вещества, характер взаимодействий и тепловое движение. У воды есть особенность: обычный лёд имеет более рыхлую структуру и меньшую плотность, чем жидкая вода рядом с температурой плавления. Поэтому общий рисунок шариков не должен внушать, будто у любого вещества частицы обязательно упакованы плотнее в твёрдом состоянии.

Вещества также не всегда состоят из отдельных молекул: структурными частицами могут быть атомы или ионы. Слово «частицы» удобно для общего объяснения. Для воды мы можем точнее говорить о молекулах H₂O.

Кружки в интерактиве не являются фотографией молекул. Движение показано в плоскости и сильно замедлено. Схема позволяет сравнить характер движения, но не измерить реальные размеры, расстояния или скорости. Ограниченная область жидкости условна: её показанная форма задаётся модельным ограничением.

Переходы между состояниями

Плавление — переход из твёрдого состояния в жидкое. Обратный переход кристаллического вещества называют кристаллизацией; для воды привычно слово «замерзание». При плавлении льда сохраняются молекулы воды, но меняется их взаимное расположение и характер движения.

Парообразование — переход жидкости в газообразное состояние. Оно может происходить как испарение с поверхности и как кипение. Испарение возможно и при комнатной температуре: лужа постепенно высыхает, хотя не кипит. Обратный переход пара в жидкость называют конденсацией.

Для чистой воды при нормальном атмосферном давлении плавление льда происходит около 0 °C, а кипение воды — около 100 °C. Эти значения нельзя переносить на все вещества и любые условия: температура кипения, в частности, зависит от давления. При фазовом переходе температура может некоторое время почти не меняться, хотя передача энергии продолжается.

Главная задача этого урока — различать состояния и понимать, что изменение состояния не является сменой химического состава. Подробные законы плавления, испарения и кипения изучаются отдельно.

На холодной внешней стенке стакана появляются капли. Обычно это не вода, прошедшая сквозь стекло, а сконденсировавшийся водяной пар из окружающего воздуха. Капли могут появиться и на стакане с холодным предметом внутри.

Пар, туман и сыпучий песок

Водяной пар невидим. Белая дымка над горячей водой состоит из мельчайших капель жидкой воды, находящихся в воздухе. Пар, смешиваясь с более холодным воздухом, может частично конденсироваться. Капельки рассеивают свет, поэтому возникает видимое облачко.

Поэтому нельзя определять состояние по одному бытовому названию. В повседневной речи белое облачко часто зовут «паром», но в физическом объяснении нужно разделять невидимый газ и видимые капли. В облачке одновременно присутствуют воздух, водяной пар и жидкие капли.

С песком другая ловушка. Его можно пересыпать, и куча меняет форму, однако каждая песчинка остаётся твёрдым телом. Сыпучесть здесь связана с перемещением множества отдельных зёрен, а не с превращением их вещества в жидкость.

Определяя состояние, сначала уточняй объект вопроса. «Капелька в тумане» — жидкость. «Воздух между каплями» — газовая смесь. «Одна песчинка» — твёрдое тело. Для всего неоднородного сочетания может потребоваться описание нескольких составляющих.

Наблюдение и объяснение

Проведи простой опыт с водой комнатной температуры. Возьми прозрачный узкий стакан и более широкую ёмкость, приготовь небольшую порцию воды. Сначала предскажи изменение уровня, затем аккуратно перелей воду и сравни результат с прогнозом. Чтобы проверить сохранение объёма, верни воду в исходный сосуд.

При аккуратном переливании уровень в исходном сосуде восстановится почти до прежнего значения. Небольшое отличие может быть связано с каплями, оставшимися на стенках, или с проливанием. Это не доказательство того, что жидкость потеряла способность сохранять объём.

Запиши три отдельные строки: «Что я наблюдаю», «Как объясняю это свойствами жидкости», «Как связываю это с движением частиц». Такой порядок помогает не подменять наблюдение готовым ответом.

Образец рассуждения

Наблюдение: в широкой ёмкости слой воды стал ниже. Свойство: вода изменила форму, но при переливании без потерь её объём почти сохранился. Объяснение: частицы жидкости близко расположены и способны перемещаться относительно друг друга.

Для этого задания не нужны нагревание, кипящая вода или герметично нагреваемые сосуды. Фото чайника в визуальном уроке используется для разбора готового наблюдения, а не как предложение повторять опыт с горячим паром самостоятельно.

Вопросы для самопроверки

Сначала ответь самостоятельно, затем раскрой объяснение.

Чем отличаются лёд и водяной пар, если их молекулы одинаковы?

Расположением и характером движения молекул, условиями их взаимодействия и свойствами вещества как целого. Молекулы воды сохраняют состав H₂O.

Почему воду можно перелить, но трудно сжать?

Её частицы меняют соседей и перемещаются относительно друг друга, поэтому жидкость течёт. При этом частицы уже находятся близко, поэтому заметно уменьшить объём трудно.

Если твёрдое тело лежит неподвижно, движутся ли его частицы?

Да. При обычных температурах они совершают тепловые колебания около устойчивых положений. Покой предмета не означает покоя частиц.

В узком стакане вода выше, чем в широкой чаше. Обязательно ли её больше?

Нет. Высота уровня зависит от формы сосуда. Одну и ту же порцию можно распределить по широкой площади более тонким слоем.

Что уменьшается при сжатии газа?

Уменьшается доступный объём и средние промежутки между частицами. В рассматриваемой модели число и размеры частиц не изменяются.

Может ли вода испаряться без кипения?

Да. Испарение с поверхности идёт и при комнатной температуре. Поэтому мокрая ткань или лужа могут высыхать без нагревания до температуры кипения.

Почему белая дымка не является чистым водяным паром?

Водяной пар невидим. Свет рассеивают мелкие жидкие капли, образовавшиеся при конденсации. Вокруг них также находится газовая смесь.

Песок принял форму ведра. Почему это ещё не жидкость?

Форму изменило множество песчинок как совокупность. Каждая песчинка сохранила собственную форму и остаётся твёрдой.

Заметки для учителя

Цель: связать наблюдаемые свойства трёх состояний вещества с расположением и движением частиц. К концу урока ученик должен не только назвать состояние, но и обосновать ответ через форму, объём и характер движения частиц.

Опора на предыдущие темы: частицы существуют, непрерывно движутся и взаимодействуют. Новый шаг — объяснить, почему одно и то же вещество при разных условиях проявляет разные свойства.

1. 5 минут — исходный вопрос. Покажите лёд, воду и изображение дымки. Попросите назвать общее и различия. Сразу отделите воду как вещество от жидкого состояния.
2. 10 минут — сравнение состояний. Переключайте 2D-модель. Ученики заполняют короткую таблицу «форма — объём — движение». Обсудите, что кружки — модель, а не увеличенные реальные фотографии.
3. 8 минут — переливание. До изменения ширины сосуда попросите предсказать уровень. Затем объясните результат при сохранении объёма. При наличии материалов выполните опыт с холодной водой.
4. 7 минут — сжатие. Сравните качественное поведение газа и жидкости. Уточните, что меняются промежутки, а не размер самих частиц.
5. 7 минут — сложные примеры. Разберите дымку, песок и губку. Каждый раз уточняйте, о какой составляющей идёт речь.
6. 5 минут — индивидуальная проверка. Пройдите задания и попросите объяснить один ответ полным предложением.
7. 3 минуты — итог. Выходной вопрос: «Что меняется и что сохраняется, когда лёд становится водой?»

Критерий понимания: ученик связывает текучесть с перемещением соседних частиц, сжимаемость газа — с большими промежутками, а сохранение формы твёрдого тела — с относительно устойчивым расположением частиц. Одних слов «твёрдое, жидкое, газ» недостаточно.

Типичные ошибки: «в твёрдом частицы не движутся», «жидкость не имеет объёма», «газ — пустота», «все молекулы при нагревании разбухают», «белый туман — газ», «всё сыпучее — жидкое». Для каждой ошибки полезен один контрпример и короткое объяснение.

Границы моделей: не выводите численные законы из ползунка усилия; не используйте рисунок частиц для сравнения плотности льда и воды. Предусмотренные 3D-сцены пока не подключены; урок можно провести полностью с доступными иллюстрациями, роликом и 2D-заданиями.