Газ сохраняет объем или нет

Агрегатные состояния вещества. Свойства газов, жидкостей и твердых тел.

Данная тема посвящена изучению различных состояний вещества. Известно, что вода может находиться в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. То есть, при достаточно низких температурах вода становится льдом или снегом. И, наоборот, при достаточно высоких температурах, вода превращается в пар. Это, конечно, присуще не только воде, но и другим веществам. Итак, любое тело может быть твердым, жидким или газообразным. В зависимости от состояния, тела обладают различными свойствами. Известно, что твердые тела имеют собственную форму и сохраняет объём. Например, стол или стул – это твердые тела, поскольку они имеют определенную форму, которую сохраняют и занимают определенный объём. Для того чтобы изменить форму твердого тела, нужно приложить большое усилие. Например, практически невозможно согнуть или расплющить монету руками. Однако если по ней ударить молотком, то можно её расплющить. Другой пример: стеклянный стакан тоже сохраняет свой объем и форму. Конечно, стакан довольно легко разбить: чаще всего, достаточно просто уронить его на пол. Жидкости, напротив, легко меняют свою форму. Разумеется, это легко доказать, если переливать воду в емкости различной формы: вода будет принимать форму того сосуда, в который она помещена. Тем не менее, жидкости сохраняют свой объём. Это тоже легко проверить: если наполнить бутылку до краев водой и попробовать перелить эту воду в стакан, который явно поменьше. Можно убедиться, что вода туда не поместится: либо в бутылке останется немного воды, либо вода польётся через край стакана.

Газы не сохраняют ни форму, ни объём. Большинство газов прозрачны и бесцветны, а потому невидимы. Достаточно известен один пример газа – это воздух. Конечно, можно перемещаться по комнате, не испытывая никаких затруднений с дыханием. Значит, воздух заполняет всю комнату.

Если попробовать поднять стакан вверх дном и опустить его в воду, то вода его не заполнит. Почему? Потому что там воздух. Ранее был рассмотрен пример с воздушным шариком: можно без труда изменить объём и форму шарика, несмотря на то, что количество газа внутри шарика не меняется. Итак, газы не сохраняют ни свою форму, ни свой объём. Они принимают форму сосуда и заполняют весь предоставленный объём.

Одно и то же вещество может находиться в различных состояниях в зависимости от внешних условий (в основном, это температура).

Например, водород закипает уже при температуре минус 252 градуса Цельсия (°С). Конечно, такую температуру на Земле можно получить только в лабораторных условиях и то, это довольно не просто. Газ азот (который является основной составляющей воздуха) становится жидким только при температуре минус 137°С, а кислород – при температуре минус 157°С. Поэтому, данные вещества практически всегда находятся в газообразном состоянии на нашей планете. Металлы – наоборот, почти всегда находятся в твердом состоянии. Дело в том, что для того, чтобы перевести их в жидкое состояние, нужны высокие температуры. Например, чтобы расплавить железо, нужно более полутора тысяч градусов Цельсия. Чтобы расплавить медь нужно нагреть её до температуры около тысячи ста градусов Цельсия. Такие температуры достигаются на различных заводах и фабриках, которые производят изделия из металлов.

Люди используют свойство жидкости – легко менять свою форму. После того, как металлы переходят в жидкое состояние, их заливают в нужную форму, а потом остужают, чтобы они снова стали твердыми.

Читайте также:  Как измерить объем батареи мультиметром

Изменение агрегатных состояний вещества постоянно происходит на нашей планете. Это отлично демонстрируется таким явлением, как круговорот воды в природе. Вода испаряется из водоемов, и водяные пары уносятся в атмосферу. Там они остывают, образуя облака и тучи. В конце концов, вода снова переходит в жидкое состояние и возвращается на Землю в виде осадков. Важно понимать, что изменение агрегатных состояний вещества не влечет за собой изменение молекул. Молекулы льда, воды и водяного пара абсолютно одинаковы: они состоят из двух атомов водорода и одного атома кислорода.

Поэтому, ни в коем случае нельзя путать изменение самого вещества с изменением его состояния. Различные агрегатные состояния вещества определяются расположением молекул, их движением и характером взаимодействия. Но об этом будет подробно рассказано в следующей теме.

Различия в молекулярном строении твердых тел, жидкостей и газов

Обобщим. Мы говорили о трёх агрегатных состояниях вещества – это твердое состояние, жидкое, и газообразное. Было выяснено, что твердые тела сохраняют и объём и форму. Жидкости легко меняют форму, но при этом сохраняют объём. Газы не имеют собственной формы и занимают весь предоставленный им объём. Например, вода на планете Земля встречается во всех трех состояниях. При этом и лёд, и вода, и водяной пар состоят из абсолютно одинаковых молекул. Изменение агрегатного состояния не влечет за собой изменение самих молекул.

Агрегатные состояния характеризуются расположением молекул, движением молекул и взаимодействием молекул. Твёрдые тела сохраняют свою форму и объём. Поэтому, молекулы в твердых телах расположены в строгом порядке и жестко связаны друг с другом. Из-за значительного взаимного притяжения и отталкивания, взаимное расположение молекул твердого тела достаточно сложно изменить. Тем не менее, беспорядочное движение все равно присутствует в твердых телах. Молекулы в твердых телах совершают небольшие колебания, т.е. молекулы двигаются из стороны в сторону, но тут же встречают отталкивание со стороны соседних молекул и возвращаются на свои места.

В жидкостях нет никакого определенного порядка расположения. Тем не менее, молекулы жидкости находятся очень близко (практически вплотную) друг к другу, поэтому, жидкости практически несжимаемы. Молекулы жидкости так же, как и молекулы твердых тел, колеблются. Но, помимо этого, они могут совершать перескоки, меняться местами, что, легко может привести к изменению формы. Именно этим и объясняется текучесть жидкостей.

В газах, молекулы находятся друг от друга на расстояниях во много раз превышающих размеры самих молекул. Поэтому, взаимное притяжение и взаимное отталкивание между молекулами газов очень незначительны. Это и приводит к тому, что газы не имеют формы и достаточно легко сжимаются. Поскольку молекулы практически не испытывают ни притяжения, ни отталкивания, они могут перемещаться с очень большими скоростями (по несколько сотен километров в час). Таким образом, в газах нет никакого порядка в расположении молекул.

Для наглядности можно провести некоторые аналогии. В твердых телах молекулы расположены в соответствии со строгим порядком и только колеблются. Это можно сравнить с тем, как ученики сидят на уроке. Ученики расположены в строгом порядке относительно друг друга (то есть сидят на определенных местах по рядам). При этом сидя на своём месте, ученик может совершать некоторые движения.

Аналогией жидкости может послужить метро в час-пик. Люди находятся очень близко друг к другу, но, тем не менее, каждый человек может переместиться из одного места в другое (точно так же, как молекула жидкости может перескочить из одного положения равновесия в другое).

Читайте также:  Где узнать объем видеокарты

Движение газа можно сравнить с движением футболистов. Они бегают по всему футбольному полю с большими скоростями и находятся на большом расстоянии друг от друга.

Известно, если нагревать лед, то он со временем, превратится в воду. Если продолжить нагревать воду, то она закипит и превратится в водяной пар. При каждом изменении агрегатного состояния будет изменяться характер движения и взаимодействия молекул. Рассмотрим данные процессы. Во льду молекулы жестко связаны и только колеблются. Когда лед понемногу начинает плавиться, происходит нарушение порядка. Некоторые молекулы уже способны перескакивать со своих мест на другие. В конце концов, порядок совсем нарушится, и молекулы то и дело будут перескакивать с места на место, но все еще находится вплотную друг к другу. По мере нагревания воды, скорости молекул будут увеличиваться. Некоторые молекулы наберут такую скорость, что смогут оторваться от поверхности воды, таким образом, покинув её. Такие молекулы уже будут находиться в газообразном состоянии. В итоге, вся вода выкипит, превратившись в пар. Молекулы теперь уже будут двигаться совершенно беспорядочно, очень слабо взаимодействуя друг с другом.

Данный процесс можно сравнить со школьным процессом. Ученики стоят на линейке. Все ученики стоят в определенном порядке, но никуда не перемещаются (это напоминает поведение молекул льда). Когда линейка заканчивается, ученики начинают расходится. Происходит нарушение порядка, и ученики уже не стоят ровными рядами, а образуют толпу, в которой они могут меняться местами (это уже похоже на поведение молекул жидкости). Далее ученики выбегают в коридор или на улицу, уже находясь на существенном расстоянии друг от друга, и перестают толкаться (то есть, не взаимодействуете с другими, а двигаетесь сами по себе). Это напоминает поведение молекул газа.

· Все вещества могут находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном.

· Твердые тела имеют собственный объём и сохраняют форму.

· Жидкости легко меняют форму, но при этом сохраняют объём.

· Газы не имеют своей формы и занимают весь предоставленный объём (то есть, не сохраняют ни объём, ни форму).

· Вещество переходит в то или иное агрегатное состояние в зависимости от внешних условий.

Источник

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.

Читайте также:  Гена решил попробовать определить внутренний объем надутого воздушного шарика наполнить его водой 10

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.

Характерные особенности твердых тел в зависимости от упорядоченности частиц

Зависимость физических свойств от направления — анизотропия

Независимость физических свойств от направления — изотропия

Восстановление формы и объема после прекращения внешнего воздействия — упругость

Изменение формы и объема (без разрушения) после прекращения внешнего воздействия — пластичность

Определенная температура плавления

Неопределенная температура плавления

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.

Кластеры из молекул воды

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.


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.

Источник

Поделиться с друзьями
Объясняем