Страница 42 — Глава 1. Первоначальные сведения о строении вещества…

Молекулы одного и того же вещества в любом состоянии одинаковы, но различаются расстояния между ними, характер их движения и взаимодействия. В твёрдом теле молекулы расположены близко и колеблются около определённых положений, в жидкости они тоже близко, но могут перескакивать с места на место, в газе находятся далеко друг от друга и движутся почти свободно. При изменении внешних условий (нагревании или охлаждении, изменении давления) меняются скорости молекул и расстояния между ними, поэтому одно вещество получает разные свойства: лёд, вода и водяной пар состоят из одинаковых молекул воды.

В газах молекулы находятся на больших расстояниях друг от друга, движутся беспорядочно с большими скоростями по всему объёму сосуда, лишь изредка сталкиваясь между собой и со стенками. В жидкостях молекулы расположены близко и в течение небольшого промежутка времени колеблются около некоторого положения, затем скачком перемещаются в новое положение на расстояние порядка размера самой молекулы. В твёрдых телах молекулы практически не передвигаются с места на место: каждая колеблется около определённой точки, и многие твёрдые тела (кристаллы) имеют упорядоченное расположение частиц.

Сходство: и жидкости, и газы текучи и не имеют собственной формы — они принимают форму сосуда. Это объясняется тем, что в обоих состояниях молекулы могут перемещаться друг относительно друга: в жидкости — скачками, в газе — свободно.
Различие: жидкость сохраняет свой объём и почти не сжимается, а газ занимает весь предоставленный объём и легко сжимается. В жидкости молекулы расположены близко (на расстояниях порядка размера молекул), поэтому притяжение между ними достаточно велико, чтобы держать их вместе, и сжать жидкость трудно, так как сразу проявляется отталкивание. В газе расстояния между молекулами намного больше размеров молекул, притяжение слабое, молекулы разлетаются по всему объёму; между ними много свободного места, потому газ легко сжать.

Молекулы твёрдого тела расположены очень близко друг к другу, и притяжение между ними велико. Каждая молекула колеблется около определённого положения и практически не перемещается по телу. Поэтому твёрдые тела сохраняют форму и объём: для изменения формы нужно приложить усилие, преодолевающее притяжение и отталкивание молекул. Твёрдые тела плохо сжимаются, так как при сближении молекул проявляется отталкивание, и плохо растягиваются, так как при удалении молекул друг от друга преобладает притяжение. Многие твёрдые тела (кристаллы) имеют правильное, упорядоченное расположение частиц, что проявляется в красивой форме кристаллов и узорах льда на окнах.

Слово «агрегатное» происходит от латинского aggrego — «присоединяю, связываю». Агрегатное состояние показывает, насколько прочно связаны (присоединены) друг к другу молекулы вещества. В твёрдом теле молекулы связаны сильно силами притяжения и удерживаются у определённых мест; в жидкости связь слабее — молекулы могут перескакивать, но остаются рядом; в газе связь между молекулами очень слабая, и они разлетаются по всему объёму. Поэтому название отражает степень связи частиц между собой, от которой зависят форма, объём и текучесть вещества.

Решение. При нагревании скорость движения молекул воды увеличивается, и расстояния между ними возрастают, поэтому вода расширяется (при одной и той же массе воды объём горячей воды больше). Но стаканы, налитые до краёв, вмещают одинаковый объём воды. В стакан с холодной водой помещается больше молекул (и больше массы воды), чем в стакан с горячей водой того же объёма. Масса воды в холодном стакане больше, поэтому он перевесит.
Ответ: весы нарушили равновесие, потому что у холодной воды молекулы расположены теснее и в том же объёме её больше по массе, чем горячей. Стакан с холодной водой тяжелее.
Оговорка: возможное испарение горячей воды также уменьшает её массу, что усиливает эффект.

Решение. При охлаждении скорость движения молекул газа уменьшается, они движутся медленнее, и расстояния между ними можно сократить. При достаточном охлаждении притяжение между молекулами начинает преобладать над их движением, молекулы сближаются на расстояния, сравнимые с их размерами, и газ превращается в жидкость (конденсируется). Молекулы при этом уже не могут свободно разлетаться по всему объёму, а лишь колеблются и перескакивают с места на место. Если продолжать охлаждать, движение молекул ещё замедляется, они занимают определённые положения и только колеблются около них — жидкость затвердевает.
Ответ: при постоянном охлаждении газ сначала превращается в жидкость, а затем в твёрдое тело; например, водяной пар конденсируется в воду, а вода замерзает и превращается в лёд.

Ход выполнения. Берём две одинаковые пластиковые бутылки объёмом 0,5 л. Одну доверху наполняем водой, вторую оставляем «пустой» (на самом деле она заполнена воздухом). Плотно закрываем обе крышками и по очереди сжимаем руками.
Наблюдения. Бутылку с воздухом сжать легко: её стенки заметно прогибаются, объём уменьшается, а при отпускании бутылка возвращается к первоначальной форме. Бутылку с водой сжать практически не удаётся: стенки почти не прогибаются, и при сильном нажатии ощущается большое сопротивление.
Вывод: газ (воздух) легко сжимается, так как расстояния между его молекулами намного больше размеров молекул и молекулы могут сблизиться. Жидкость (вода) практически не сжимается: её молекулы расположены вплотную и при попытке сблизить их проявляется отталкивание. Значит, жидкости обладают собственным объёмом, а газы занимают предоставленный объём и меняют его.