Традиционно все тела делятся на 3 основных класса: твёрдые, жидкие и газообразные. Эти классы называются агрегатными состояниями вещества. Но есть ещё одно основное агрегатное состояние. Оно называется плазма. Его мы также коснёмся в этом уроке, но чуть позже.
А теперь рассмотрим, чем похожи и чем отличаются тела в разных агрегатных состояниях. Начнём с внешних признаков.
Твёрдые тела имеют собственный объём и форму, которая сама по себе не изменяется. Чтобы изменить форму твёрдого тела, требуется усилие. Например, трудно согнуть металлическую трубу.
Получается, что твёрдые тела сохраняют объём и форму.
В отличие от них, жидкие тела легко меняют форму. Если налить жидкость в бутылку – она примет форму бутылки. Если перелить её в тарелку – она примет форму тарелки. При этом объём жидкости останется прежним.
Получается, что жидкости сохраняют свой объём, но легко меняют форму.
А теперь поместим в сосуд газ и закроем его. Он заполнит весь объём. Если этот же газ перекачать в сосуд с большим объёмом – он и его заполнит целиком.
Получается, что газы не сохраняют ни формы, ни объёма.
Итак, тела в разных агрегатных состояниях имеют как одинаковые, так и разные свойства. Чтобы понять, почему так происходит, нужно рассмотреть их на молекулярном уровне.
В твёрдом, жидком и газообразном состоянии может быть одно и то же вещество, например вода.
Все её молекулы одинаковы. По отдельной молекуле нельзя судить, откуда она взята – изо льда, жидкой воды или пара. Получается, что эти три агрегатных состояния различаются не молекулами, а тем, как молекулы расположены в пространстве, как движутся и как взаимодействуют.
У твёрдых тел молекулы расположены в строгом порядке. Расстояния между ними сопоставимо с их размерами. Получившаяся структура называется «кристаллическая решётка».
Если попытаться уменьшить расстояние между молекулами, включатся силы отталкивания. Поэтому очень сложно изменить форму и объём твёрдого тела.
У жидкостей расстояние между молекулами тоже одного порядка с их размерами. В этом жидкости мало чем отличаются от твёрдых тел. Но их молекулы не формируют кристаллическую решётку и постоянно перемещаются.
Да, молекулы твёрдых тел тоже непрерывно двигаются. Но они это делают на месте. А молекулы жидкости постоянно перемещаются друг относительно друга.
Получается, что жидкость сохраняет объём, поскольку расстояние между молекулами одного порядка с их размерами, но не сохраняет форму, поскольку молекулы регулярно перемещаются относительно друг друга.
Определения агрегатных состояний не всегда являются строгими. Например, между твёрдым и жидким состоянием существует промежуточное состояние. Тела в этом состоянии называются «аморфные». Традиционно их относят к твёрдым телам, так как они способны сохранять не только объём, но и форму. Однако у них нет кристаллической решётки. Этим свойством они похожи на жидкости. К аморфным телам относится: стекло, воск, шоколад, пластмассы, пластилин и многое другое.
У газов расстояние между молекулами гораздо больше самих молекул. Между двумя молекулами газа можно поместить ещё не меньше десятка таких же молекул. Следовательно, они почти не притягиваются друг к другу, свободно двигаются и разлетаются.
Отсюда и получается, что газ не сохраняет форму и объём.
Теперь вспомним ещё об одном агрегатном состоянии – о плазме. Когда газ нагревается до достаточной температуры, его молекулы распадаются на атомы. При дальнейшем нагревании атомы тоже распадаются на части – на электроны и ионы. Облако из электронов и ионов – это и есть плазма.
В отличие от обычного газа, за счёт множества свободных электронов и ионов плазма проводит электрический ток.
На первый взгляд, кажется, что чаще всего тела находятся в твёрдом, жидком и газообразном состоянии, а плазма – это что-то редкое. На самом деле, всё наоборот – вещество Вселенной почти полностью находится в состоянии плазмы. Плазма образует звёзды, межзвёздные туманности, ионосферу земли, молнии и многое другое. Её применяют в люминесцентных лампах, при производстве процессоров, в плазменных телевизорах и так далее.
Многие вещества могут переходить из одного агрегатного состояния в другое. Эти смены состояния называют «фазовые переходы».
Чтобы осуществить фазовый переход, нужно изменить температуру или давление, или и то и другое.
При нагревании твёрдого тела, его молекулы начинают двигаться на месте всё быстрее. От этого разрушается кристаллическая решётка и молекулы начинают перемещаться друг относительно друга. А это и есть жидкое состояние тела. Переход из твёрдого состояния в жидкое называется плавление. Обратный переход, то есть переход из жидкого состояния в твёрдое, называется «кристаллизация».
При нагревании жидкости, молекулы перемещаются всё быстрее и, соответственно, всё сильнее «толкаются» друг с другом. Некоторые молекулы, расположенные на поверхности жидкости получают настолько сильные толчки от соседних молекул, что вылетают за пределы жидкости. Со временем вылетевших молекул становится всё больше, и они перемещаются в пространстве на больших расстояниях друг от друга. А это и есть газообразное состояние. Переход из жидкого состояния в газообразное, называется парообразование. Оно бывает 2-х видов: испарение и кипение.
Испарение мы только что рассмотрели. При нём молекулы покидают поверхность жидкости. А при кипении пар образуется и в объёме жидкости, поэтому в ней образуются пузыри. Обратный процесс, то есть процесс превращения газа в жидкость, называется «конденсация», что в переводе на русский означает «сгущение».
В газ могут превращаться тела и в твёрдом состоянии. Этот процесс называется «сублимация» или «возгонка». Верно и обратное – газ может превращаться не только в жидкость, но и сразу в твёрдое тело. Как и в случае с жидкостями, этот процесс называется «конденсация».
Переход из газа в плазму называется «ионизация». А обратный переход – это «рекомбинация», что в переводе на русский означает «воссоединение».