Физика. 8 класс. Барьяхтар

Этот учебник можно скачать в PDF формате на сайте тут.

Часть 2. Изменение агрегатного состояния вещества. Тепловые двигатели

§ 10. Агрегатное состояние вещества. Наноматериалы

Приходилось ли вам бывать в морозный зимний день на берегу быстрой горной речки? Вокруг лежит снег, замерли деревья, покрытые сияющим в солнечных лучах инеем, а вода в речке не замерзает. Очень чистая, прозрачная, она течет, разбиваясь об обледенелые камни. В чем отличие воды и льда? Почему появился иней? В параграфе вы обязательно найдете ответы на эти вопросы.

1. Наблюдаем разные агрегатные состояния вещества

Вы уже знаете, что лед (снег, иней) и вода — это разные агрегатные состояния воды: твердое и жидкое. Появление инея на деревьях объясняется так: в воздухе всегда есть водяной пар, который, охлаждаясь, кристаллизуется и оседает в виде инея. Водяной пар — это третье агрегатное состояние воды — газообразное.

Приведем еще пример. Вы, наверное, знаете об опасности разбить термометр с ртутью — густой жидкостью серебристого цвета; ртуть, испаряясь, образует очень ядовитый пар. А вот при температуре ниже -39 °C ртуть представляет собой твердый металл. То есть ртуть, как и вода, может находиться в твердом, жидком и газообразном состояниях.

Практически любое вещество в зависимости от физических условий может находиться в трех агрегатных состояниях — твердом, жидком, газообразном.

Существует еще одно агрегатное состояние вещества — плазма — частично или полностью ионизированный газ, то есть газ, который состоит из заряженных частиц (ионов и электронов), а также нейтральных атомов и молекул. Например, ртуть пребывает в плазменном состоянии во включенных ртутных лампах (так называемые лампы дневного света). Во Вселенной плазма является самым распространенным состоянием вещества (рис. 10.1).

Рис. 10.1. Вещество в недрах звезд находится в состоянии плазмы. Разреженной плазмой заполнено и межзвездное пространство

Водяной пар, вода, лед образованы одинаковыми молекулами, — молекулами воды. Почему же различаются физические свойства веществ, образованных одинаковыми молекулами, но находящихся в разных агрегатных состояниях? Причина в том, что молекулы по-разному движутся и взаимодействуют.

2. Объясняем физические свойства твердых тел

Тела, изображенные на рис. 10.2, различаются цветом, формой и т. п., они состоят из разных веществ. Вместе с тем они имеют общие физические свойства, присущие всем твердым телам.

Рис. 10.2. Несмотря на множество отличий, все твердые тела сохраняют объем и форму

Твердые тела сохраняют объем и форму. Дело в том, что частицы (молекулы, атомы, ионы) твердых тел находятся в положениях равновесия. В этих положениях силы притяжения и силы отталкивания между частицами равны. При попытке увеличить или уменьшить расстояние между частицами (то есть увеличить или уменьшить размер тела) возникает соответственно межмолекулярное притяжение или отталкивание. Кроме того, частицы твердых тел практически не перемещаются — они только непрерывно колеблются.

В большинстве твердых веществ частицы расположены в четком порядке, то есть образуют кристаллическую решетку. Такие вещества называют кристаллическими. Примеры кристаллических веществ: алмаз, графит (рис. 10.3), лед, соль (рис. 10.4), металлы и т. д.

Рис. 10.3. Модели кристаллических решеток: а — алмаза, б — графита. Шариками изображены атомы Карбона. На самом деле атомы расположены плотно, а линий, соединяющих атомы, не существует (они проведены только для того, чтобы продемонстрировать характер пространственного расположения атомов)

Рис. 10.4. Модели кристаллических решеток: а — льда (Н2О — молекула воды: красные шарики — атомы Оксигена, синие — атомы Гидрогена); б — поваренной соли (желтые шарики — ионы Натрия, зеленые — ионы Хлора)

Порядок расположения частиц в кристаллической решетке определяет физические свойства вещества. Так, алмаз и графит состоят из одних и тех же атомов Карбона, но эти вещества сильно отличаются, поскольку в них по-разному расположены атомы (см. рис. 10.3).

Существует группа твердых веществ (стекло, воск, смола, янтарь и др.), частицы которых не образуют кристаллическую решетку и в целом расположены беспорядочно. Такие вещества называют аморфными.

При определенных условиях твердые тела плавятся, то есть переходят в жидкое состояние. Каждое кристаллическое вещество плавится при определенной температуре. В отличие от кристаллических, аморфные вещества не имеют определенной температуры плавления — они переходят в жидкое состояние, постепенно размягчаясь. Подробнее о плавлении твердых тел вы узнаете из § 11.

3. Объясняем физические свойства жидкостей

Жидкость изменяет свою форму, приобретая форму того сосуда, в котором находится; сохраняет объем (рис. 10.5); является практически несжимаемой*. Эти свойства жидкости можно объяснить так.

* Сжимаемость жидкостей зависит от давления и температуры.

Рис. 10.5. В жидком состоянии вещество сохраняет свой объем, но приобретает форму сосуда, в котором находится

Как и в твердых телах, частицы в жидкостях расположены вплотную друг к другу (рис. 10.6). Такая плотная «упаковка» частиц является причиной не только сохранения объема жидкостей, но и того, что жидкости практически невозможно сжать.

Рис. 10.6. Характер расположения частиц: а — в твердых кристаллических веществах; б — в жидкостях и аморфных веществах (частицы в целом расположены хаотично, однако в малом объеме вещества сохраняется некоторая взаимная ориентация соседних частиц — существует ближний порядок)

Вспомните о силах межмолекулярного притяжения и отталкивания и поясните последнее утверждение самостоятельно.

Каждая частица жидкости в течение некоторого времени (порядка 10-11 с) осуществляет движение, подобное колебательному, не удаляясь при этом от своих «соседей»; затем она вырывается из своего окружения и перескакивает в другое место, где попадает в новое окружение и снова некоторое время колеблется около своего положения равновесия. Перепрыгивания (переходы) молекул из одного равновесного состояния в другое происходят преимущественно в направлении внешней силы, поэтому жидкость текуча — под воздействием внешних сил она приобретает форму сосуда, в котором находится.

4. Объясняем физические свойства газов

Слово «газ» происходит от греческого «хаос» — беспорядок. В самом деле, для газообразного состояния вещества характерно полное отсутствие порядка во взаимном расположении и движении частиц.

Частицы газа расположены на расстояниях, которые в десятки и сотни раз превышают размеры самых частиц. На таких расстояниях частицы практически не взаимодействуют, поэтому они разлетаются и газ занимает весь предоставленный ему объем. Большими расстояниями между частицами объясняется и тот факт, что газы легко сжимаются.

Чтобы понять, как движутся молекулы и атомы газа, представим движение одной частицы. Вот она движется в некотором направлении, сталкивается с другой частицей, изменяет направление и скорость своего движения и летит дальше, до следующего столкновения (рис. 10.7). Чем больше частиц в данном объеме газа, тем чаще они сталкиваются. Например, каждая частица, входящая в состав воздуха в классной комнате, сталкивается с другими и изменяет скорость своего движения примерно пять миллиардов раз в секунду.

Рис. 10.7. Движение и расположение частиц газа: а — направление движения частиц изменяется в результате столкновений с другими частицами; б — приблизительная траектория движения частицы

5. Узнаём о наноматериалах

«Пока мы должны пользоваться атомарными структурами, которые предлагает нам природа... Но в принципе физик мог бы создать любое вещество по заданной химической формуле», — заявил в 1959 г. в своей лекции «Там, внизу, полно места» американский физик Ричард Фейнман (рис. 10.8).

Рис. 10.8. Ричард Филлипс Фейнман (1918-1988) — выдающийся американский физик, лауреат Нобелевской премии по физике, один из основателей квантовой электродинамики

Фейнман предположил, что с помощью некоего «манипулятора» можно брать отдельные атомы и молекулы и, складывая их как кирпичики, создавать новые материалы. Так ученый заложил будущие основы и обозначил основные направления развития нанотехнологий. Это и сверхплотная запись информации, и разработка миниатюрных компьютеров, и создание хирургических инструментов, выполняющих операции непосредственно в организме человека. Фейнман говорил: «Было бы интересно для хирургии, если бы вы могли проглотить хирурга. Вы введете механического хирурга в кровеносные сосуды, он пройдет к сердцу и «осмотрится» там...»

В то время идеи Фейнмана казались фантастикой. Но уже в 1981 г. был создан сканирующий туннельный микроскоп, появилась возможность манипулировать веществом на атомарном уровне и получать материалы с уникальными свойствами — наноматериалы.

Согласно толковым словарям, материалы — это предметы, вещества, идущие на изготовление различных изделий; сырье. Префикс нано- (в переводе с греческого «гном, карлик») используется для записи дольных единиц СИ и означает «одна миллиардная». Соответственно объект, хотя бы один из линейных размеров которого не превышает 100 нанометров (100 нм), называют нанообъектом (рис. 10.9). Следовательно, наноматериалы — это предметы, вещества, другое сырье, которые искусственно созданы с использованием нанообъектов и предназначены для изготовления различных изделий.

Рис. 10.9. Некоторые нанообъекты: а — графен — слой атомов Карбона толщиной всего 0,18 нм и горизонтальными размерами около 10 мкм; б — наночастица — частица, размеры которой в каждом направлении не превышают 100 нм

6. Узнаём о свойствах наноматериалов и перспективах их применения

Свойства наноматериалов и обычных веществ очень сильно отличаются, даже если те и другие состоят из одних и тех же атомов. Поэтому наноматериалы можно рассматривать как особое состояние вещества.

В отличие от обычных объектов, состоящих из огромного количества частиц (атомов, молекул, ионов), нанообъекты могут состоять всего лишь из нескольких десятков частиц. Именно поэтому они имеют малые размеры. Это позволяет разместить на небольшой площади колоссальное количество нанообъектов, что очень важно, например, для наноэлектроники и записи информации. Нанообъекты могут внедряться в любые участки тела человека или части машины, поэтому их, например, можно использовать в медицине для доставки лекарства в определенные части организма (рис. 10.10).

Рис. 10.10. Нанокапсулы — микроконтейнеры, защищающие лекарства при их транспортировке к больной части организма

Кроме того, у нанообъектов велика доля атомов, размещенных на поверхности. Благодаря этому в несколько раз ускоряется взаимодействие нанообъекта и среды, в которую он помещен. Поэтому наноматериалы — хорошие катализаторы (они позволяют в миллионы раз ускорить химические реакции). Так, наночастицы титан диоксида могут раскладывать воду на водород и кислород под действием обычного солнечного света, нанопористые вещества поглощают примеси и токсины, а поверхность, покрытая гидрофобным нанопорошком, «не боится» воды и грязи — она просто отталкивает их.

Важная особенность нанообъектов — отсутствие дефектов, поэтому, например, нанотрубки (рис. 10.11) в десятки раз прочнее стали и примерно в четыре раза легче. Если бы удалось сделать такие трубки достаточно длинными и изготовить из них кабель, то он проводил бы электрический ток в сотни раз лучше, чем медный.

Рис. 10.11. Нанотрубка — протяженная цилиндрическая структура диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких микрометров

Понятно, что мы описали лишь небольшую часть перспектив применения наноматериалов. Сейчас нанонаука очень быстро развивается. По мнению многих экспертов, XXI век будет веком нанотехнологий.

Подводим итоги

Практически любое вещество в зависимости от физических условий может существовать в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном. Когда вещество переходит из одного агрегатного состояния в другое, изменяются взаимное расположение частиц вещества (молекул, атомов, ионов) и характер их движения.

Существует четвертое агрегатное состояние — плазма. Плазма — это частично или полностью ионизированный газ.

В последнее время получают широкое применение наноматериалы. Свойства наноматериалов существенно отличаются от свойств обычных веществ; их можно рассматривать как особое состояние вещества.

Контрольные вопросы

1. Можно ли утверждать, что ртуть — всегда жидкость, а воздух — всегда газ? 2. Отличаются ли друг от друга молекулы водяного пара и льда? 3. В каком состоянии находится вещество в недрах звезд? 4. Почему твердые тела сохраняют объем и форму? 5. В чем сходство и в чем отличие кристаллических и аморфных веществ? 6. Как движутся и как расположены молекулы в жидкостях? 7. Почему газы занимают весь предоставленный объем? 8. Приведите примеры нанообъектов. 9. Какие свойства наноматериалов могут обеспечить их широкое применение?

Упражнение № 10

1. Выберите правильное окончание предложения.

Если перелить жидкость из одного сосуда в другой, жидкость...

  • а) изменит и форму, и объем
  • б) сохранит и форму, и объем
  • в) сохранит объем, но изменит форму
  • г) сохранит форму, но изменит объем

2. Вода испарилась, превратившись в пар. Изменились ли при этом: молекулы воды? расположение молекул и характер их движения?

3. Может ли газ заполнить банку наполовину?

4. Можно ли утверждать, что в закрытом сосуде, частично заполненном водой, над поверхностью жидкости воды нет?

5. В чайнике кипит вода. Действительно ли мы видим водяной пар, выходящий из носика?

6. Воспользовавшись дополнительными источниками информации, узнайте о нанороботах и областях их будущего применения. Подготовьте презентацию или короткое сообщение.

7. Из приведенных названий физических величин выберите те, которые являются характеристикой вещества: а) плотность; б) масса; в) объем; г) удельная теплоемкость; д) температура; е) скорость движения.

Экспериментальное задание

«Твердая жидкость». Аморфные тела называют очень вязкими жидкостями. Используя восковую свечу и, например, маркер, докажите, что воск, пусть очень медленно, но течет. Для этого положите маркер на подоконник, сверху на маркер (перпендикулярно ему) положите свечу и оставьте так на несколько дней. Объясните результаты эксперимента.

Физика и техника в Украине

Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины (Киев). Современную жизнь невозможно представить без применения металлов. К сожалению, природа не создала «идеальный» металл. Некоторые (титан) имеют большую прочность, небольшую плотность, однако достаточно дорого стоят, другие (алюминий) имеют малое сопротивление и вместе с тем недостаточную прочность. Поэтому на протяжении веков ученые стараются улучшить свойства металлов, сохраняя их «хорошие» качества и уменьшая «плохие».

Квантовая физика XX в. предоставила возможность целенаправленно изменять свойства металлов. Процесс основан на изучении микроструктуры металлов с помощью разных методов.

Институт металлофизики, история которого начинается в 1945 г., располагает для этого одним из наибольших арсеналов современных приборов. Поэтому изобретение в конце XX в. наноматериалов ученые института встретили всесторонне вооруженными.

Научные разработки института направлены на изучение микроструктуры металлов при разных температурах, в условиях быстрого нагревания и охлаждения, радиационного и ультразвукового излучений. Созданы материалы с уникальными свойствами, которые используют в авиационной и автомобильной промышленностях, космической технике, в изделиях медицинского назначения.

С 2011 г. институтом руководит академик НАН Украины Орест Михайлович Ивасишин.