Что такое лёд и чем он отличается от пара?

Вы уже знаете, что вещество состоит из частиц (атомов, молекул и ионов), которые находятся в тепловом движении. Кроме этого, частицы в веществе постоянно взаимодействуют между собой силами притяжения и отталкивания. Это взаимодействие частиц приводит к тому, что вещество может находиться в трёх, как говорят, агрегатных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном.

Чтобы это доказать проведём простой опыт. Поместим в пробирку кусочки льда и будем нагревать пробирку в пламени спиртовки.

Через некоторое время мы увидим, как твёрдый лёд начнёт плавиться, превращаясь в жидкость (воду). Если же мы продолжим нагревание, то вода в пробирке закипит и начнёт образовываться водяной пар. Следовательно, вода может находиться в любом из трёх состояний: в виде твёрдого тела, жидкости или газа.

Также и любые другие вещества. Например, кислород в воздухе — это газ. Но при охлаждении до температуры ниже –193 °C он превращается в жидкость. А при температуре –219 °C кислород — твёрдое вещество. Железо при нормальном давлении и комнатной температуре находится в твёрдом состоянии. При его нагревании до 1539 °C оно начинает плавиться, превращаясь в жидкость. А при температуре выше 3050 °C железо становиться газообразным. Или вот ещё пример. Жидкая ртуть, которая раньше часто использовалась в медицинских термометрах, при охлаждении до температуры ниже –39 °C становится твёрдой. При температуре же выше 357 °C ртуть превращается в пар (газ).

Однако, что самое интересное, атомы и молекулы вещества в твёрдом, жидком, газообразном состояниях одинаковы. Так, молекула воды и в твёрдом состоянии (лёд), и в жидком состоянии (вода), и в газообразном состоянии (водяной пар) одна и та же. И состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.

— Но чем тогда отличаются атомы и молекулы вещества, находящегося в различных состояниях?

Дело в том, что в твёрдом, жидком и газообразном состояниях частицы вещества движутся различным образом, имеют разные скорости и, как следствие, разные кинетические энергии. Кроме этого, в различных состояниях вещества частицы находятся на разных расстояниях друг от друга; по-разному взаимодействуют друг с другом и обладают различными потенциальными энергиями.

— А какими свойствами обладают вещества в различных состояниях?

Начнём с газов. В газообразном состоянии вещество не имеет ни определённой формы, ни объёма. Чтобы это доказать, проведём простые опыты. Для начала опустим пластиковую бутылку в воду и слегка сожмём. Видно, как из бутылки в воду выходят пузырьки воздуха. Значит, бутылка не пустая, а наполнена газом — воздухом.

Теперь опустим в воду пластиковую бутылку, закрытую пробкой, но со срезанным дном. Вода не заходит в бутылку свободно, так как этому препятствует воздух, занимающий некоторый объём. Но если в пробке сделать отверстие, то вода вытеснит часть воздуха из бутылки.

Эти опыты хорошо показывают, что газ не имеет ни определённой формы, ни определённого объёма, а заполняет целиком всю предоставленную ему ёмкость.

Чем объясняются эти свойства газа? Особенностями их внутреннего строения. В газах молекулы в среднем находятся друг от друга на расстояниях в десятки и сотни раз больше размеров самих молекул. И поэтому они практически не взаимодействуют друг с другом.

Беспорядочное движение невзаимодействующих молекул газа приводит к тому, что молекулы разлетаются и газ заполняет весь предоставленный ему объём.

Поэтому сущей нелепицей будут утверждения типа «Воздух занимает половину объёма этой комнаты» или «Я накачал воздух в две трети объёма мяча». Воздух, как и любой газ, занимает весь объём комнаты и весь объём мяча.

— А каковы свойства твёрдых тел?

В повседневной жизни мы считаем твёрдым любое тело, сохраняющее форму и объём в отсутствие внешних воздействий. Например, это тела, изготовленные из металлов, пластмассы, льда, стекла. А чтобы изменить форму твёрдого тела, например железного стержня или деревянного бруска, нужно приложить достаточное усилие. Сохранение формы и объёма свидетельствует, конечно, о притяжении частиц твёрдого тела друг к другу.

Покажем это. Для этого возьмём два свинцовых цилиндра, торцы которых очень тщательно выравнены. Сильно прижмём цилиндры друг к другу, а затем отпустим. Ого, цилиндры как будто приклеились друг к другу.

Давайте подвесим их к горизонтальному стержню штатив. А снизу подвесим гирю. Гиря удерживается. И всё это благодаря силам притяжения между частицами свинца.

Однако отметим, что силы притяжения между частицами твёрдого тела заметны лишь тогда, когда частицы находятся близко друг к другу — меньше размера самих частиц.

Если же это расстояние увеличить до размера частиц, то силы притяжения между частицами значительно ослабеют и твёрдое тело может быть разрушено. И восстановить твёрдое тело, например, разбитый стакан, в единое целое, как правило, не удаётся, так как мы не можем сблизить частицы твёрдого тела до прежнего малого расстояния.

При сжатии твёрдого тела, то есть при сближении его частиц, возникают силы отталкивания. Именно эти силы взаимодействия между частицами твёрдого тела и проявляют себя как сила упругости, возникающая при деформации тела.

Как вам известно, в твёрдых телах тоже наблюдается явление диффузии. Это говорит нам о том, что частицы твёрдого тела движутся.

Но частицы твёрдого тела совершают колебательное движение (подобно движению груза на пружине). Каждая из частиц колеблется вблизи своего положения равновесия (то есть в таком месте, где силы притяжения частиц друг к другу уравновешиваются силами отталкивания друг от друга).

— Как же тогда происходит тепловое расширение твёрдых тел?

Всё просто. При увеличении температуры растёт энергия колебаний частиц, увеличивается размах этих колебаний, что в итоге приводит к тепловому расширению твёрдого тела.

Особый интерес для практики представляют те твёрдые тела, в которых частицы расположены в определённом порядке. Такие твёрдые тела с повторяющимся расположением частиц называют кристаллами. К кристаллическим телам относят минералы, например, поваренную соль, лёд, медный купорос, кварц, горный хрусталь и металлы в твёрдом состоянии.

Упорядоченное размещение частиц твёрдого кристаллического тела обусловливает его правильную геометрическую форму.

Частицы кристалла удерживаются на определённом усреднённом расстоянии друг от друга силами межатомного и межмолекулярного взаимодействий. И несмотря на тепловые колебания, они образуют упорядоченную пространственную структуру. Геометрическим образом этой структуры является кристаллическая решётка. А узлы кристаллической решётки — это положения устойчивого равновесия колеблющихся частиц (ионов, атомов или молекул), образующих кристалл.

Чтобы понять, почему в кристаллических телах упорядоченное размещение частиц, проделаем простой опыт. Насыплем на вогнутое стекло одинаковые маленькие шарики и слегка встряхнём их несколько раз.

Можно увидеть, что шарики разместятся в строгом порядке — в самом низком из возможных положений, что соответствует минимуму их потенциальной энергии в гравитационном поле Земли.

Кристаллическая структура также связана с минимумом потенциальной энергии. То есть при образовании кристаллов частицы самопроизвольно располагаются так, чтобы потенциальная энергия их взаимодействия была минимальной.

Таким образом, порядок в расположении частиц в кристалле приводит к его геометрически правильным формам. Но главное достоинство кристаллов заключается не в их красоте. Строгий порядок в расположении частиц обусловливает разнообразные и удивительно полезные физические свойства кристаллов. Именно на основе кристаллов создают различные технические элементы, благодаря использованию которых и работают современные компьютеры, сотовые телефоны и так далее.

Кстати, вы можете попробовать вырастить кристалл у себя дома. Для этого приготовьте насыщенный раствор поваренной соли в сосуде с горячей водой (раствор становится насыщенным, когда соль перестаёт растворяться в воде и начинает оседать на дно). Отфильтруйте раствор и, когда он остынет, опустите в него нить с привязанным к ней кристалликом соли. Другой же конец нити закрепите на стержне, который поместите на край сосуда. Через несколько дней вы получите кристалл, выращенный в домашних условиях.

— А что определяет свойства жидкостей и их отличие от газов и твёрдых тел?

Вещество в жидком агрегатном состоянии занимает промежуточное положение между твёрдыми телами и газами и вследствие этого имеет некоторые общие черты с обоими этими состояниями.

Например, для жидкостей, как и для твёрдых тел, характерно наличие определённого объёма. В этом нас убеждает следующий опыт. Возьмём трубку с поршнем, под которым находится воздух. Закроем трубку пробкой и попробуем сжать воздух, находящийся в трубке. Нам удастся достаточно легко сжать воздух. Но если наполнить трубку жидкостью и попробовать сжать её, то у нас практически ничего не получиться.

Вместе с тем жидкости, подобно газам, принимают форму сосуда, в котором находятся, и могут непрерывно переходить в газообразное агрегатное состояние.

— Почему же так происходит?

Дело всё в том, что в жидкостях молекулы располагаются достаточно близко друг к другу — расстояние между молекулами жидкости примерно равно размеру самих молекул. На таких расстояниях молекулы притягиваются друг к другу, и они не разлетаются. А когда пытаются сжать жидкости (то есть уменьшить расстояние между молекулами), возникают очень большие силы электрического отталкивания между электронами соседних молекул жидкости. И жидкость сжать не удаётся. Она сохраняет практически постоянный объём.

Кроме того, в плотной «толпе» у молекул жидкости нет возможности, как у молекул газа, двигаться беспрепятственно. Молекулы жидкости движутся, образно говоря, совершая «бег на месте», и время от времени перепрыгивают на свободные места. Благодаря таким беспрестанным «перескокам» молекул жидкость принимает форму любого сосуда.

В самом начале урока мы свами проделали опыт с нагреванием льда до его последующего перехода в пар. А что будет, если этот пар продолжить нагревать?

В начале ничего особенного не произойдёт, будет просто горячий газ, как в бане, когда камни поливаете водой.

— А что случилось бы если бы камни в парилке были бы температурой несколько десятков тысяч градусов?

Сначала если нагреть водяной пар до достаточной температуры, то молекулы воды сначала начнут распадаться на кислород и водород. А если нагреть дальше, то уже скорость самих атомов становится такой большой, что они начинают как бы разваливаться. Точнее не совсем разваливаться, от атомов начинают отделяться электроны. А сами атомы превращаются в положительные и отрицательные ионы.

В итоге, со временем, мы с вами «получим» ещё одно агрегатное состояние вещества — плазму.

Плазма — это полностью или частично ионизованный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов практически совпадают.

Плазма прочно вошла в жизнь человека. Её используют при производстве процессоров, в телевизорах, неоновых трубках и так далее. В природе плазму можно иногда видеть в виде огня костра, вспышки молнии. А кому-то из вас может быть посчастливилось увидеть северное сияние.

Но это все такие мелочи. Оказывается, во всей Вселенной 99,9 % всего вещества находится именно в состоянии плазмы! И всё из-за звёзд. Каждая звезда — это просто огромный плазменный бульон разной массы, плотности и температуры. Также плазмой заполнено всё космическое пространство между звёздами и галактиками.