Підручник Фізика 8 клас - Т.М. Засєкіна - Оріон 2017 рік

Розділ 1 ТЕПЛОВІ ЯВИЩА. ТЕПЛОВІ МАШИНИ ТА МЕХАНІЗМИ

§ 5 Агрегатні стани речовини

Ви дізнаєтесь

- Які особливості руху молекул у рідкому, твердому і газоподібному станах

Пригадайте

- Що вам відомо про будову речовин

Агрегатний стан. Як вам відомо, одна й та сама речовина може перебувати у твердому, рідкому та газоподібному станах, які називають агрегатними станами речовини.

У природі різні стани тієї самої речовини найчастіше можна спостерігати на прикладі води (твердий стан — лід, рідина — вода, газоподібний стан — водяна пара). Склад цієї речовини в різних агрегатних станах незмінний — два атоми Гідрогену й один атом Оксигену (мал. 10).

На відміну від води, інші речовини в природі в усіх трьох агрегатних станах спостерігати складніше. Для цього потрібно створити відповідні умови (температура, тиск та інші). Назви таких речовин указують на їх агрегатний стан, наприклад, рідкий азот, пари ртуті, рідке олово. Важливо зрозуміти, що склад молекули однієї речовини у твердому, рідкому і газоподібному станах нічим не відрізняється.

З’ясуймо, у чому відмінність руху та взаємодії молекул речовини в різних агрегатних станах.

Газ. Газоподібний стан (або газ) — це стан речовини, у якому окремі молекули слабо взаємодіють між собою й рухаються хаотично. Середня кінетична енергія молекул більша, ніж їхня потенціальна енергія.

У газоподібному стані молекули майже не зазнають взаємного притягання. Зіштовхуючись між собою, вони змінюють напрям руху. (Пригадайте, що швидкість руху молекул між двома послідовними зіткненнями є досить великою, наприклад, для молекул азоту за нормальних умов вона становить приблизно 500 м/с).

Відстань між атомами й молекулами газів набагато більша за їхні розміри (приблизно в десятки, а то й сотні разів). Цим, зокрема, пояснюється значна стисливість газів.

Слабкі сили притягання молекул газу не можуть утримати їх одну біля одної. Саме тому гази здатні безмежно розширюватись і не зберігають ані форми, ані об’єму, тобто займають увесь об’єм посудини, у якій вони містяться.

Мал. 10. Склад молекули води однаковий у всіх її агрегатних станах (водяна пара, вода, лід)

Мал. 11. Опис властивостей газів: а — моделювання внутрішньої структури; б, в — відсутність власної форми, стисливість

Основні ознаки газів (мал. 11) — висока леткість, відсутність власної форми, заповнення всього наданого їм об'єму. Ці ознаки зумовлені тим, що молекули газу між короткочасними зіткненнями перебувають у вільному русі.

Здебільшого, у звичних для людини земних умовах, певний газ має однакову густину, температуру, тиск у будь-якій точці посудини, що займає. Однак це не універсальний закон. Наприклад, повітря в полі тяжіння Землі має різну густину, тиск і температуру: ці величини зменшуються з віддаленням від її поверхні.

Плазма. Природно, виникає запитання: чи переходить газ у якийсь новий стан за значного збільшення його температури? Такий стан існує, а речовина, яка перебуває в ньому, отримала назву плазма.

Плазмою називають різновид газу, який складається зі «зруйнованих атомів»: йонів та окремих електронів. Плазма може утворитися при значному нагріванні газу. При цьому молекули настільки інтенсивно рухаються, що під час зіткнення, унаслідок великої сили удару, вони можуть втратити свої зовнішні електрони і в результаті з'являються вільні електрони та йони.

Прикладом плазми (мал. 12) є речовина, з якої складаються Сонце та інші зорі. У земних умовах плазму можна спостерігати в атмосферних явищах: блискавка, північне сяйво. Полум'я також є плазмою.

Рідина. У рідині молекули перебувають на відстанях, сумірних із їхніми розмірами. На таких відстанях сила, з якою притягуються молекули, має велике значення. Тому потенціальна енергія взаємодії молекул рідини більша, ніж кінетична енергія їхнього теплового руху. Однак молекули рідини достатньо рухливі, тому вони часто змінюють своє положення, рухаючись «стрибками». Молекули рідини перебувають здебільшого в щільному оточенні сусідніх молекул. Коли ж раптово поруч виникає розрідження, то молекула проникає в нього. Таким чином вона потрапляє в «компанію» інших молекул і перебуває там, допоки не з’явиться можливість для нового «стрибка». Рухаючись, молекули рідини в будь-який момент часу мають більш-менш упорядковане розташування, яке називають ближнім порядком. Однак цей порядок на великих відстанях не зберігається і саме тому називається ближнім порядком.

Мал. 12. Плазма

Мал. 13. Опис властивостей рідин: а — моделювання внутрішньої структури; б, в — текучість, наявність вільної поверхні, відсутність власної форми, збереження об’єму

У рідкому стані речовина зберігає об’єм, але не тримає форму. Це означає, що рідина може займати тільки частину об’єму посудини, але вільно перетікати й проникати в усі її закутки (мал. 13).

Рідина, на відміну від газу, має добре визначену поверхню. Такі явища, як змочування тіл, утворення крапель, зумовлені саме особливостями взаємодії молекул, що містяться в поверхневому шарі рідини (мал. 14).

Для більшості речовин рідина — проміжний стан між газом і твердим тілом. Речовина може переходити в рідкий стан із твердого в результаті процесу, який називається плавленням. Зворотний процес переходу із рідкого стану в твердий називається твердненням (або кристалізацією). У газоподібний стан рідина переходить унаслідок процесу пароутворення (кипіння й випаровування), протилежний йому перехід із газоподібного стану в рідкий називається конденсацією.

Оскільки можна вважати, що в рідин, як і в газів, рухливість молекул досить значна, то їхні фізичні властивості не залежать від порядку розташування молекул. Проте існують ще й рідкі кристали, які досить широко використовуються в сучасних годинниках, моніторах і телевізорах. Зазвичай довгі, вузькі молекули рідкого кристалу розміщуються так, як зображено на малюнку 15. (Детальніше властивості рідких кристалів ви будете вивчати в § 24).

Мал. 14. Явище поверхневого натягу та його моделювання

Мал. 15. Модель внутрішньої будови рідких кристалів

Мал. 16. Опис властивостей твердих тіл: а — моделювання внутрішньої структури; б — наявність форми та об’єму

Тверде тіло. У твердих тілах структурні частинки (атоми або молекули) перебувають дуже близько одна від одної. Саме тому сили притягання між молекулами досить великі. Оскільки середня потенціальна енергія взаємного притягання молекул є значно більшою за їхню кінетичну енергію, то молекули можуть лише хаотично коливатись відносно своїх положень. Вільно переміщуватись (так само, як у рідинах або газах) молекули твердих тіл не можуть. Саме цим пояснюється те, що тверді тіла мають певну форму і об’єм (мал. 16).

Тверді тіла можуть бути кристалічними або аморфними. Прикладами кристалічних тіл є кварц, золото, лід, гірський кришталь, кремній, галіт (кам’яна сіль) та багато інших. Кристалічним твердим тілам властиве впорядковане розташування молекул (мал. 17). Просторові фігури, у вершинах яких містяться структурні частинки речовини, називаються комірками кристалічної ґратки. Такі комірки в кристалі повторюються в усіх трьох напрямах. Саме тому кристалам притаманний дальній порядок.

Тверді тіла, яким, так само як і рідинам, дальній порядок не притаманний, називаються аморфними (наприклад, смола, парафін) (мал. 18).

Певна впорядкованість у розташуванні молекул твердих тіл зумовлює їхні фізичні властивості (теплопровідність, електропровідність, пружність та інші).

Мал. 17. Кристалічні тіла: а — зразки кристалів; б — моделювання внутрішньої структури

Мал. 18. Аморфні тіла: а — моделювання внутрішньої структури; б — зразки аморфних тіл

Вивчаючи теплові явища, ми найчастіше будемо досліджувати такі речовини:

- гази — повітря, водяна пара, кисень, вуглекислий газ;

- рідини — вода, нафта, ртуть, гас;

- тверді тіла — лід, алюміній, залізо, чавун, смола, парафін, пластмаси. Тому не зайвим буде пригадати все, що ви вивчали про ці речовини на уроках хімії, географії та біології.

Підбиваємо підсумки

- Речовини можуть перебувати в різних агрегатних станах.

- Той чи інший агрегатний стан речовини визначається відмінністю між характером руху і взаємодії молекул. Молекули однієї речовини у твердому, рідкому і газоподібному стані нічим не відрізняються між собою.

Я знаю, вмію й розумію

1. Які особливості руху молекул у рідкому, твердому і газоподібному станах?

2. Що можна сказати про сили притягання між структурними частинками речовини в різних агрегатних станах?

3. Яке співвідношення між кінетичною і потенціальною енергіями молекул для газоподібного, рідкого і твердого станів речовини?

4. Яка середня відстань між молекулами в газах, рідинах і твердих тілах у порівнянні з розмірами самих молекул?

ПОЯСНІТЬ

1. Чому тверді тіла й рідини не розпадаються на окремі молекули?

2. Що є причиною зміни агрегатного стану речовини?

Вправа 5

1. Опишіть основні фізичні властивості речовин у твердому, рідкому і газоподібному станах за параметрами, вказаними в таблиці:

Назва агрегатного

стану

Відстань між молекулами (у порівнянні з розмірами самих молекул)

характер руху й

розташування молекул у речовині

Співвідношення між кінетичною і потенціальною енергіями молекул

Фізичні властивості

речовини

2. У якому стані перебуває речовина, якщо молекули в ній поводяться, як «пасажири в переповненому автобусі»?

3. У рідинах структурна частинка здійснює коливання навколо положення рівноваги і, час від часу здійснюючи «стрибок», переходить до іншого положення рівноваги. Яка властивість рідин пояснюється таким характером руху частинок?

4. Чи є справедливим твердження, що об’єм газу в посудині дорівнює сумі об’ємів його молекул? Відповідь обґрунтуйте.

5. Через мікроскопічні щілини з балона зі стисненим газом щосекунди виходить 5 млрд молекул. Маса кожної молекули 5 ∙ 10-23 г Об’єм балона 5 м3. Через який час маса балона з газом зменшиться на 1 мг? Яким стане об’єм газу?





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити