Фізика. Повторне видання. 8 клас. Бар’яхтар
Частина 2. Зміна агрегатного стану речовини. Теплові двигуни
§ 10. Агрегатний стан речовини
Чи траплялося вам бачити морозним зимовим днем швидку гірську річку? Навколо лежить сніг, завмерли дерева, укриті інеєм, що сяє в сонячних променях, а вода в річці не замерзає. Надзвичайно чиста, прозора, вона тече, розбиваючись об обмерзле каміння. У чому відмінність води і льоду? Чому з’явився на деревах іній? У цьому параграфі ви обов’язково знайдете відповіді на ці запитання.
1. Спостерігаємо різні агрегатні стани речовини
Ви вже знаєте, що лід (сніг, іній) і вода — це різні агрегатні стани води: твердий і рідкий. Поява інею на деревах пояснюється просто: у повітрі завжди є водяна пара, яка, кристалізуючись, конденсується й осідає у вигляді інею. Водяна пара — це третій агрегатний стан води — газоподібний.
Наведемо ще приклад. Ви, напевно, знаєте, що небезпечно розбити термометр із ртуттю — густою рідиною сріблястого кольору; ртуть, випаровуючись, утворює дуже отруйну пару. А от за температури, нижчої від -39 °С, ртуть являє собою твердий метал. Таким чином, ртуть, як і вода, може перебувати у твердому, рідкому та газоподібному станах.
Практично будь-яка речовина залежно від фізичних умов може перебувати в трьох агрегатних станах: твердому, рідкому, газоподібному.
Існує ще один агрегатний стан речовини — плазма — частково або повністю йонізований газ, тобто газ, який складається із заряджених частинок (йонів і електронів) та нейтральних атомів і молекул. Наприклад, ртуть перебуває в плазмовому стані в увімкнених ртутних лампах (так звані лампи денного світла). У Всесвіті плазма є найпоширенішим станом речовини (рис. 10.1).
Рис. 10.1. Речовина в надрах зір перебуває у стані плазми. Розрідженою плазмою заповнений і міжзоряний простір
Водяна пара, вода, лід утворені однаковими молекулами — молекулами води. Чому ж різняться фізичні властивості речовин, які утворені однаковими молекулами, але перебувають у різних агрегатних станах? Причина відмінностей полягає в тому, що молекули по-різному рухаються та взаємодіють.
2. Пояснюємо фізичні властивості твердих тіл
Тіла, зображені на рис. 10.2, різняться кольором, формою тощо, вони складаються з різних речовин. Разом із тим вони мають спільні фізичні властивості, притаманні всім твердим тілам.
Рис. 10.2. Незважаючи на численні відмінності, всі тверді тіла зберігають об’єм і форму
Тверді тіла зберігають об’єм і форму. Річ у тім, що частинки (молекули, атоми, йони) твердих тіл розташовані в положеннях рівноваги. У цих положеннях сила притягання і сила відштовхування між частинками дорівнюють одна одній. У разі спроби збільшити або зменшити відстань між частинками (тобто збільшити або зменшити розмір тіла) виникає міжмолекулярне притягання або відштовхування відповідно. Крім того, частинки твердих тіл практично не пересуваються — вони лише безперервно коливаються.
У ході вивчення будови твердих тіл з’ясовано, що частинки більшості речовин у твердому стані розташовані в чітко визначеному порядку, тобто, як кажуть фізики, утворюють кристалічні ґратки. Такі речовини називають кристалічними. Прикладами кристалічних речовин можуть бути алмаз, графіт (рис. 10.3), лід, сіль (рис. 10.4), метали тощо.
Рис. 10.3. Моделі кристалічних ґраток: а — алмазу, б — графіту. Кульками зображено атоми вуглецю. Насправді атоми розташовані впритул один до одного; ліній, що з’єднують атоми, не існує, їх проведено лише для того, щоб продемонструвати характер просторового розташування атомів
Рис. 10.4. Моделі кристалічних ґраток: а — льоду (Н2О — молекула води: червоні кульки — атоми кисню, сині — атоми водню); б — кухонної солі (жовті кульки — йони натрію, зелені — йони хлору)
Порядок розташування частинок у кристалічній ґратці речовини визначає фізичні властивості речовини. Так, алмаз і графіт складаються з тих самих атомів вуглецю, однак ці речовини дуже різняться, оскільки атоми в них розташовані по-різному (див. рис. 10.3).
Існує група твердих речовин (скло, віск, смола, бурштин тощо), частинки яких не утворюють кристалічні ґратки і в цілому розташовані безладно. Такі речовини називають аморфними.
За певних умов тверді тіла плавляться, тобто переходять у рідкий стан. Кожна кристалічна речовина плавиться за певної температури. На відміну від кристалічних, аморфні речовини не мають певної температури плавлення — вони переходять у рідкий стан, поступово розм’якшуючись. Докладніше про плавлення твердих тіл див. у § 11.
Рис. 10.5. У рідкому стані речовина зберігає свій об’єм, але набуває форми посудини, в якій міститься
3. Пояснюємо фізичні властивості рідин
Рідина змінює форму, набуваючи форми тієї посудини, в якій міститься, зберігає об’єм (рис. 10.5) і є практично нестисливою*. Ці властивості рідин пояснюються так.
Як і в твердих тілах, частинки в рідинах розташовані впритул одна до одної (рис. 10.6): середня відстань між ними приблизно дорівнює розмірам самих частинок. Таке щільне упакування частинок спричиняє не тільки збереження об’єму рідини, але й те, що рідину майже неможливо стиснути.
Згадайте про сили міжмолекулярного притягання й відштовхування та поясніть останнє твердження самостійно.
Кожна частинка рідини протягом певного часу (порядку 10-11 с) здійснює рух, подібний до коливального, не віддаляючись при цьому від своїх «сусідів»; потім вона виривається зі свого оточення та, перескочивши в інше місце, потрапляє в нове оточення, де знову деякий час коливається біля свого нового положення рівноваги. Перескакування (переходи) молекул з одного рівноважного стану в інший відбуваються здебільшого в напрямку зовнішньої сили, тому рідина є плинною — під дією зовнішніх сил вона набуває форми тієї посудини, в якій міститься.
4. Пояснюємо фізичні властивості газів
Слово «газ» походить від грецького «хаос», «безлад». І справді, для газоподібного стану речовини характерний повний безлад у взаємному розташуванні та русі частинок.
Наприклад, частинки повітря у вашій кімнаті розташовані на відстанях, які приблизно в 10 разів перевищують розміри самих частинок. На таких відстанях частинки практично не взаємодіють одна з одною, тому вони розлітаються й газ займає весь наданий об’єм. Великими відстанями між частинками пояснюється й той факт, що гази легко стискаються.
* Стисливість рідин залежить від тиску і температури.
Рис. 10.6. Характер розташування частинок: а — у твердих кристалічних речовинах; б — у рідинах і аморфних речовинах (частинки в цілому розташовані хаотично, однак у невеликому об’ємі речовини зберігається деяка взаємна орієнтація сусідніх частинок — існує ближній порядок)
Рис. 10.7. Рух і розташування частинок газу: а — напрямок руху частинок змінюється в результаті зіткнення з іншими частинками; б — приблизна траєкторія руху частинки (збільшено в мільйон разів)
Щоб зрозуміти, як рухаються молекули та атоми газу, уявімо рух однієї частинки. Ось вона рухається в якомусь напрямку, зіштовхується з іншою частинкою, змінює напрямок і швидкість свого руху й летить далі, до наступного удару (рис. 10.7). Чим більшою є кількість частинок у певному об’ємі, тим частіше вони зіштовхуються. Наприклад, кожна частинка, що входить до складу повітря в класній кімнаті, зіштовхується з іншими та змінює швидкість свого руху кілька мільярдів разів за секунду.
5*. Дізнаємося про наноматеріали
«Поки що ми мусимо користуватися атомарними структурами, які пропонує нам природа... Але в принципі фізик міг би створити будь-яку речовину за заданою хімічною формулою», — заявив у 1959 р. у своїй лекції «Там, унизу, — повно місця» американський фізик Річард Фейнман (рис. 10.8).
Рис. 10.8. Річард Філліпс Фейнман (1918-1988) — видатний американський фізик, лауреат Нобелівської премії з фізики, один із засновників квантової електродинаміки
Фейнман припустив, що за допомогою певного «маніпулятора» можна брати окремі атоми та молекули і, складаючи їх як цеглинки, створювати нові матеріали. Науковець заклав майбутні основи та позначив провідні напрями розвитку нанотехнологій. Це і надщільний запис інформації, і розробка мініатюрних комп’ютерів, і створення хірургічних інструментів, які виконують операції безпосередньо в організмі людини. Фейнман говорив: «Було б цікаво для хірургії, якби ви могли проковтнути хірурга. Ви введете механічного хірурга в кровоносні судини, він пройде до серця й «огляне» там...»
На той час ідеї Фейнмана здавалися фантастикою. Але вже в 1981 р. був створений сканувальний тунельний мікроскоп; з’явилася можливість маніпулювати речовиною на атомарному рівні та отримувати матеріали з унікальними властивостями — наноматеріали.
Згідно з тлумачним словником, матеріали — це предмети, речовини, що йдуть на виготовлення різноманітних виробів; сировина. Префікс нано- (у перекладі з грецької «гном, карлик») використовується для запису частинних одиниць СІ й означає «одна мільярдна». Відповідно об’єкти, хоча б один із лінійних розмірів яких не пребільшує 100 нанометрів (100 нм), називають нанооб’єктами (рис. 10.9). Отже, наноматеріали — це матеріали, які штучно створені з використанням нанооб’єктів і призначені для виготовлення різноманітних виробів.
Рис. 10.9. Деякі нанооб’єкти: а — графен — шар атомів вуглецю завтовшки лише 0,18 нм і горизонтальними розмірами близько 10 мкм; б — наночастинка — частинка, розмір якої в кожному напрямку не перевищує 100 нм
6. Виявляємо властивості наноматеріалів і перспективи їхнього застосування
Властивості наноматеріалів дуже відрізняються від властивостей звичайних речовин (навіть якщо й ті, й інші складаються з атомів однакового виду), тому їх можна розглядати як особливий стан речовини.
На відміну від звичайних об’єктів, які складаються з величезної кількості частинок (атомів, молекул, йонів), нанооб’єкти можуть складатися лише з кількох десятків частинок. Саме тому вони мають малі розміри. Це дозволяє розмістити на невеликій площі велику кількість нанооб’єктів, що є дуже важливим, наприклад, для наноелектроніки та запису інформації. Нанооб’єкти можуть проникати в будь-які ділянки тіла людини або частини машини, тому їх, наприклад, можна використовувати в медицині для доправлення ліків у певні частини організму (рис. 10.10).
Крім того, нанооб’єкти мають величезну частку атомів, розміщених на поверхні. Завдяки цьому в декілька разів прискорюється взаємодія нанооб’єкта і середовища, в яке він поміщений. Саме тому наноматеріали є дуже добрими каталізаторами, які дозволяють у мільйони разів прискорити хімічні реакції. Так, наночастинки діоксиду титану можуть розкладати воду на водень і кисень під дією звичайного сонячного світла, нанопористі речовини ефективно поглинають домішки й токсини, а поверхня, вкрита гідрофобним нанопорошком, не «боїться» забруднення та намокання, бо відштовхує всі рідини.
Рис. 10.10. Наночастинки мезопористого кремнезему, які містять протипухлинний препарат (зображення отримано за допомогою електронного мікроскопа)
Рис. 10.11. Нанотрубка — протяжна циліндрична структура діаметром від одного до кількох десятків нанометрів і завдовжки до кількох мікрометрів
Важливою особливістю нанооб’єктів є відсутність дефектів, тому, наприклад, нанотрубки (рис. 10.11) у десятки разів міцніші за сталь і приблизно в чотири рази легші за неї. Якби вдалося зробити такі трубки досить довгими й виготовити з них кабель, то отриманий кабель проводив би електричний струм у сотні разів краще за мідний.
Зрозуміло, що ми окреслили лише невелику частину перспектив застосування наноматеріалів. Зараз нанонаука дуже швидко розвивається. На думку багатьох експертів, XXI ст. буде століттям нанотехнологій.
Підбиваємо підсумки
Практично будь-яка речовина залежно від фізичних умов може існувати в трьох агрегатних станах: твердому, рідкому, газоподібному. Коли речовина переходить з одного агрегатного стану в інший, змінюються взаємне розташування частинок речовини (молекул, атомів, йонів) і характер їхнього руху та взаємодії.
Існує четвертий агрегатний стан — плазма. Плазма — це частково або повністю йонізований газ.
* Останнім часом набувають широкого застосування наноматеріали. Властивості наноматеріалів суттєво відрізняються від властивостей звичайних речовин, тому їх можна розглядати як особливий стан речовини.
Контрольні запитання
1. Чи можна стверджувати, що ртуть — завжди рідина, а повітря — завжди газ? 2. Чи відрізняються одна від одної молекули водяної пари та льоду? 3. У якому стані перебуває речовина в надрах зір? 4. Чому тверді тіла зберігають об’єм і форму? 5. У чому подібність і в чому відмінність кристалічних й аморфних речовин? 6. Як рухаються і як розташовані молекули в рідинах? 7. Чому гази займають весь наданий об’єм? 8*. Наведіть приклади нанооб’єктів. 9. Які властивості наноматеріалів можуть забезпечити їх широке використання?
Вправа №10
1. Виберіть правильне закінчення речення.
Якщо перелити рідину з однієї посудини в іншу, рідина...
- а) змінить і форму, і об’єм
- б) збереже і форму, і об’єм
- в) збереже об’єм, але змінить форму
- г) збереже форму, але змінить об’єм
2. Вода випарувалась і перетворилася на пару. Чи змінилися при цьому молекули води? Як змінилися розташування молекул і характер їхнього руху?
3. Чи може газ заповнити банку наполовину?
4. Чи можна стверджувати, що в закритій посудині, яка частково заповнена водою, над поверхнею рідини води немає?
5. У чайнику кипить вода. Чи справді ми бачимо водяну пару, що виходить із носика чайника?
6. Скориставшись додатковими джерелами інформації, дізнайтеся про нанороботів та галузі їх майбутнього застосування. Підготуйте презентацію або коротке повідомлення.
7. З наведених назв фізичних величин оберіть ті, що є характеристикою речовини:
- а) густина;
- б) маса;
- в) об’єм;
- г) питома теплоємність;
- д) температура;
- е) швидкість руху.
Експериментальне завдання
«Тверда рідина». Аморфні тіла називають дуже в’язкими рідинами. Використовуючи воскову свічку та маркер, доведіть, що віск, нехай дуже повільно, але тече. Для цього покладіть маркер на підвіконня, зверху на маркер (перпендикулярно до нього) покладіть свічку й залиште так на кілька днів. Поясніть результати експерименту.
Фізика і техніка в Україні
Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України (Київ). Сучасне життя неможливо уявити без застосування металів. На жаль, природа не створила «ідеального» металу. Деякі (титан) мають велику міцність, невелику густину, проте досить дорого коштують, інші (алюміній) мають малий опір і водночас недостатню міцність. Тож протягом століть учені намагаються змінити властивості металів, зберігаючи та покращуючи їхні «корисні» якості.
Інститут металофізики, історія якого розпочинається з лабораторії металофізики АН УРСР, заснованої в 1945 р. академіком Георгієм Вячеславовичем Курдюмовим, сьогодні є визнаним у світі науковим центром фундаментальних досліджень у галузі фізики металів.
Основними завданнями інституту є: розроблення фізичних основ і пошук принципово нових способів створення металічних матеріалів з високим рівенем фізичних та механічних властивостей, які можуть працювати у складних термосилових і радіаційних умовах; розроблення на основі цих матеріалів принципово нових пристроїв для сучасної техніки; оновлення існуючих технологічних режимів і структури виробництва металічних виробів та приладів на їх основі. Створені в інституті матеріали з унікальними властивостями використовуються в різних галузях як в Україні, так і за кордоном.