Народна Освіта » Фізика » § 2. Агрегатні стани речовини

НАРОДНА ОСВІТА

§ 2. Агрегатні стани речовини

Агрегатні стани речовини

Фізичні властивості тіл та особливості їх молекулярної будови

Кристалічні й аморфні тіла

АГРЕГАТНІ СТАНИ РЕЧОВИНИ. Якщо вам на долоню потрапить сніжинка, вона швидко розтане й перетвориться в краплинку води, яка, у свою чергу, з часом може випаруватися. Ви, напевно, звернули увагу, що взимку поверхня річок та ставків вкрита кригою, а навесні лід тане. Влітку після дощу калюжі швидко висихають — вода випаровується і переходить у газоподібний стан. Отже, одна й та сама речовина — вода може перебувати в природі в різних станах, залежно від умов (рис. 2.1).

Не тільки вода, а й інші речовини можуть перебувати у твердому, рідкому та газоподібному стані. Ці три стани називають агрегатними (існує також четвертий стан речовини, з яким ви ознайомитеся при подальшому вивченні фізики, — плазма).

На відміну від води, агрегатні стани інших речовин у природних умовах спостерігати складніше. Наприклад, залізо в рідкому стані знаходиться в надрах землі, а рідка ртуть може перейти у твердий стан в умовах суворої зими.

Важливою особливістю всіх агрегатних станів є те, що будь-яка речовина зберігає в них притаманні їй властивості, оскільки молекули однієї і тієї самої речовини незалежно від її агрегатного стану (твердого, рідкого чи газоподібного) нічим не різняться між собою. Тобто лід і пара складаються з таких самих молекул води, хоча фізичні властивості речовини в агрегатних станах відрізняються.

ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ТІЛ ТА ОСОБЛИВОСТІ ЇХ МОЛЕКУЛЯРНОЇ БУДОВИ. Фізичні властивості тіл у різних агрегатних станах визначаються особливостями їх молекулярної будови та пояснюються на підставі молекулярно-кінетичної теорії, з якою ви ознайомилися в попередньому параграфі. Важливо з’ясувати характер взаємодії, розміщення й теплового руху молекул у різних агрегатних станах.

Досліди підтверджують положення, що молекули одних і тих самих речовин у різних агрегатних станах не відрізняються одна від одної. Тобто той чи інший агрегатний стан речовини визначається не особливостями самих молекул, а їх розміщенням, характером руху та взаємодії.

Так, важливими фізичними властивостями твердих тіл є збереження об'єму та форми. Тверді тіла досить важко стискувати або розтягувати (рис. 2.2).

 

Властивість твердих тіл зберігати форму та об’єм визначається порівняно великим притяганням їх частинок. Мікрочастинки більшості твердих тіл розміщені у певному порядку й утворюють кристалічну ґратку. Частинки твердих тіл хаотично коливаються навколо деяких середніх станів рівноваги, які називають вузлами кристалічної ґратки. Значна потенціальна енергія їх взаємодії

перешкоджає зміні середньої відстані між ними (рис. 2.3, А). Наслідком цього є збереження твердими тілами форми й об’єму.

 

 

Отже, речовина перебуває у твердому стані тоді, коли середня потенціальна енергія взаємного притягання молекул значно більша від їхньої кінетичної енергії.

Тверді тіла, атоми або молекули яких здійснюють теплові коливання біля вузлів кристалічної ґратки, називають кристалічними (від грец. krystallos — лід). їх істотною особливістю є природна правильна геометрична форма, як, наприклад, у сніжинок та сталактитів (рис. 2.4).

Важливою особливістю кристалічних ґраток різних типів є чітка періодшіність атомів у просторі. У кристалічних тілах існує так званий дальній порядок у розташуванні атомів. Прикладом кристалічного тіла є кухонна сіль (рис. 2.5).

Усі метали у твердому стані є кристалами. Важливою властивістю кристалічних тіл, є те, що вони перетворюються в рідину при певній фіксованій температурі, розм’ актуючись перед цим.

Інші фізичні властивості мають аморфні (від грец. amorphos — той, що без форми) тверді тіла. У них атоми або молекули коливаються відносно станів рівноваги, які, на відміну від кристалічних тіл, не зафіксовані у просторі. Для атомів аморфних тіл характерний так званий ближній

порядок. Прикладами таких тіл є смола, скло, бурштин (рис. 2.6).

 

Аморфні тіла не мають певної фіксованої температури плавлення. З підвищенням температури вони поступово розм’якшуються, перетворюючись на в’язку рідину. Проте такий стан нестійкий, і через певний час речовина твердне. Характерними властивостями аморфних тіл є текучість і пластичність. Тому їх широко використовують для виготовлення різноманітних герметиків. Разом із тим аморфні тіла під час механічної дії на них легко розбиваються на частини довільної форми. Наприклад, скло, так само як і смола, у твердому стані легко руйнується.

На відміну від твердих тіл рідини легко змінюють свою форму.

Рідина набуває форми тієї посудини, в яку її наливають, але її об’єм при цьому залишається незмінним. Тобто рідини зберігають об’єм, але легко змінюють форму (рис. 2.7).

Молекулярна будова рідин має особливості. При нагріванні твердого тіла середня кінетична енергія молекул, які коливаються навколо певних станів рівноваги, збільшується. Коли температура тіла досягає температури плавлення, речовина починає переходити з твердого у рідкий стан.

Під дією зовнішньої сили (наприклад, сили тяжіння) рідина тече, зберігаючи об’єм, і набуває форми посудини. Фізичні властивості рідин пояснюються тим, що відстань між кожними двома молекулами менша, ніж їхні розміри. На таких відстанях сила притягання між молекулами має велике значення. Внаслідок цього молекули не можуть віддалятися одна від одної на значні відстані, тому рідина за звичайних умов зберігає об’єм (рис. 2.3, Б). Разом із тим сили притягання між молекулами недостатньо, щоб

рідина зберігала форму, тому вона досить легко займає об'єм посудини.

Оскільки відстані між молекулами рідини вже достатньо малі, їх досить важко зменшити, тому рідини складно стискати. Речовина перебуває в рідкому стані, коли середня кінетична енергія молекул стає сумірною із середньою енергією їх притягання.

На відміну від рідин гази повністю займають ту чи іншу ємність, змінюючи форму й об'єм. Одна й та сама маса газу може займати різні об’єми (рис. 2.8).

Молекулярна будова газів визначає їхні властивості цілком заповнювати наданий їм об’єм. При нагріванні рідини швидкість молекул може збільшитися настільки, що стане достатньою для подолання сил притягання між молекулами. Рідина переходитиме в газоподібний стан.

Речовина перебуває в газоподібному стані, коли середня кінетична енергія молекул переважає їхню середню потенціальну енергію.

Оскільки газ легко стискається, між його молекулами мають бути відстані, що перевищують їх розміри. Середня відстань між молекулами в газах приблизно в 10 разів більша, ніж у рідинах і твердих тілах (рис. 2.8, В). На таких відстанях молекули досить слабко притягуються одна до одної, а отже, гази не мають власної форми та сталого об’єму. Саме тому неможливо заповнити газом половину ємності. Молекули газу рухаються однаково хаотично в різних напрямах і майже не взаємодіють одна з одною. При цьому газ швидко заповнює всю ємність. Власний об’єм молекул газу в посудині дорівнює приблизно тисячній частці, об’єму її.

Головне в цьому параграфі

Одна й та сама речовина може перебувати у різних агрегатних станах. ЇЇ молекули у твердому, рідкому і газоподібному стані нічим не відрізняються між собою. Різні агрегатні стани речовини визначаються характером руху та взаємодії її молекул.

Збереження об’єму та форми є важливими фізичними властивостями твердих тіл. Рідини зберігають об’єм, але легко змінюють форму. Гази не мають сталого об’єму та власної форми й цілком заповнюють надану їм ємкість.

Речовина перебуває у твердому стані, коли середня потенціальна енергія взаємного притягання молекул значно більша від їхньої кінетичної енергії.

Тверді тіла, у яких атоми або молекули здійснюють теплові коливання біля стану рівноваги (вузлів кристалічної гратки), називають кристалічними. При певній фіксованій температурі вони перетворюються в рідину, не розм’якшуючись перед цим.

В аморфних тілах стани рівноваги, навколо яких коливаються атоми або молекули, не зафіксовані у просторі. Аморфні тіла не мають певної фіксованої температури плавлення. З підвищенням температури вони поступово розм’якшуються, перетворюючись на в'язку рідину.

Якщо середня кінетична енергія молекул стає сумірною із середньою енергією їх притягання, то речовина переходить у рідкий стан.

Речовина перебуває в газоподібному стані, коли середня кінетична енергія молекул переважає їхню середню потенціальну енергію.

Запитання для самоперевірки

1.    Наведіть приклади одних і тих самих речовин у різних агрегатних станах.

2.    Чи відрізняються молекули води в різних агрегатних станах? Поясніть відповідь.

3.    Назвіть спільні та відмінні фізичні властивості тіл у твердому, рідкому та газоподібному станах.

4.    Поясніть, чому важко змінити форму твердого тіла.

5.    До яких тіл, твердих чи рідких, належать аморфні тіла?

6.    Які речовини краще стискаються: рідини чи гази? Поясніть.

7.    На підставі яких положень молекулярно-кінетичної теорії будови речовини можна пояснити властивість газів повністю займати весь об’єм?

Домашній експеримент

Візьміть порожню пластикову пляшку з-під води. Закрийте її щільно кришечкою і покладіть у холодильник (або в морозильник). Вийміть пляшку через 2—3 години. Які зміни відбулися з нею? Поясніть побачене.

Вправа до § 2

1    (п). Поясніть, у якому агрегатному стані перебуває речовина, якщо

зберігається її об’єм, але змінюється форма.

2    (п). Поясніть, у якому агрегатному стані перебуває речовина, якщо

її об’єм та форма зберігаються.

3    (с). Поясніть, чому алюмінієву дротину простіше розділити багато

разовим згинанням, ніж розірвати.

4    (с). Чи можна сказати, що в кімнаті під стелею повітря менше, ніж

біля підлоги?

5    (д). Поясніть, чи можна ємкість наповнити газом на 50 %.

6    (д). Через мікроскопічні щілини з балона зі стисненим газом щосекунди

виходить 5 млрд молекул. Маса кожної молекули 5 · 10 23 г. Визначте, через який час маса балона з газом зменшиться на 1 мг.

7    (в). Деякий газ перетворили на рідину внаслідок сильного охоло

дження. При цьому об’єм газу зменшився в 700 разів. Визначте, яку частину об'єму газу становив об’єм його молекул.

ВИКОНУЄМО НАВЧАЛЬНИЙ ПРОЕКТ РАЗОМ Шановні друзі! Ви ознайомилися з фізичними властивостями тіл у різних агрегатних станах. Досягнення фізики в галузі молекулярно-кінетичної будови тіла дали можливість створити речовини з унікальними властивостями, які утворюють основу сучасної техніки та технології. Пропонуємо і вам долучитися до цього процесу й виконати навчальний проект, в якому дослідити фізичні властивості та використання рідких кристалів, полімерів або наноматеріалів.

Щоб навчальний проект став вашим справжнім маленьким відкриттям, ретельно сплануйте його виконання та дотримуйтеся встановленого графіка роботи. Обговорюйте всі питання, що виникають, з учителем і товаришами. Зверніть увагу: навчальний проект виконується в декілька етапів, кожний із яких є важливим.

На першому етапі доцільно проаналізувати проблему та визначити найпринциповіші питання, що потребують вивчення, а також джерела інформації, в яких вони висвітлюються. Важливо конкретизувати завдання та розподілити їх між окремими учнями, якщо проект виконується колективно.

На другому етапі збирають інформацію з проблеми проекту, аналізують різноманітні джерела, пропонують власні ідеї та обговорюють ідеї інших учасників. Попередні результати можна обговорити з учителем.

На третьому етапі оформляються отримані результати та готується презентація проекту. Завершується проект захистом, час та форма якого узгоджуються з учителем.

Пропонуємо окремі основні питання з теми навчального проекту, на які доцільно звернути увагу в процесі його виконання.

1.    РІДКІ КРИСТАЛИ ТА ЇХ ВЛАСТИВОСТІ. Речовини, які можуть перебувати в проміжному (між твердим та рідким) агрегатному стані, називають рідкими кристалами. Фізичні властивості таких речовин визначаються істотними силами між молекулами, що забезпечує збереження сталого об’єму та поєднання властивостей твердих тіл і рідин, високу чутливість до температури, тиску, електричного й магнітного полів. Під зовнішніми впливами рідкі кристали можуть змінювати свої характеристики (наприклад, колір, електропровідність), тому їх використовують під час виготовлення дисплеїв різноманітних цифрових пристроїв та електронних датчиків. Рідкі кристали дають можливість створювати надтонкі й гнучкі пристрої, але їхнім недоліком є помітна уразливість щодо механічних пошкоджень (рис. 1).

 

Цікаво, що такі біологічні речовини, як дезоксирибонуклеїнова кислота, що несе код спадкової інформації, і речовина мозку, теж є рідкими кристалами.

Тому одним із перспективних напрямів є використання рідких кристалів у медицині.

В Україні дослідження рідких кристалів розпочалися із середини 1980-х років у Інституті фізики HAH України. На початку 1990-х років тут був відкритий ефект „фотоорієнтації” рідких кристалів світлочутливими полімерами, що забезпечило нові можливості їх використання в науці та техніці. Сьогодні у відділі фізики кристалів Інституту фізики HAH України тривають фундаментальні теоретичні та експериментальні дослідження властивостей рідких кристалів.

2.    ПОЛІМЕРИ. Особливі властивості мають природні та штучні сполуки з великою кількістю повторювань однакових або різних атомів, з’єднаних у довгі ланцюги, — полімери. їхня здатність до відновлення форми після значних деформацій, низька крихкість, електро- та теплоізоляційні властивості, висока стійкість в агресивних середовищах забезпечують широке використання в техніці та побуті. Одним із недоліків полімерів є старіння.

Природні полімери — білки, відіграють важливу роль у життєдіяльності живих організмів. Перспективним напрямом полімерів є їх використання як біосуміс-них матеріалів для імплантатів.

 

3. НАНОМАТЕРІАЛИ. Основою сучасних технологій стають нано-матеріали — речовини, молекули яких не перевищують за розмірами 1 нм (IO9 м). Фулерени, нанотрубки та нановолокна, нано-пористі структури, нанодисперсії, наноплівки; наиокристалічні матеріали набувають поширення завдяки унікальним тепловим, електричним, магнітним властивостям.

Наноматеріали є основою для технологій, що дають можливість обробляти речовини в діапазоні розмірів, які не перевищують товщину волосини, та створювати об’єкти з новими хімічними, фізичними й біологічними властивостями.

Українські вчені активно працюють у напрямі дослідження на-номатеріалів. Наприклад, науковці відділу фізико-неорганічної хімії Інституту загальної і неорганічної хімії ім. В. Вернадського HAH України розробляють технологію створення вуглецевих са-мозбірних наноматеріалів.

 

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Головко

 

Категорія: Фізика

Автор: evg от 7-08-2016, 14:21, Переглядів: 4053