Фізика. Повторне видання. 8 клас. Засєкіна (2025)

§ 2. Досліджуємо агрегатні стани речовини

- І знову те саме: тверді, рідкі, газуваті. Учили, вже знаємо.

- А от цікаво, чи зможеш ти пояснити властивості агрегатних станів, виходячи із положень МКТ?

ДОСЛІДЖУЙ

Доведи або спростуй те, що тверді/рідкі/газуваті речовини: а) мають масу; б) займають і зберігають об’єм; в) мають форму й зберігають її. Використовуй обладнання, зображене на малюнку 2.1, або добери самостійно.

Мал. 2.1

ДІЗНАВАЙСЯ

Переконуємось, що частинки речовини рухаються і взаємодіють. Із проявом руху і взаємодії частинок речовини між собою ти вже ознайомився/ознайомилася на уроках фізики в 7 класі. Пригадаємо разом.

Прикладаючи силу й деформуючи тіло, ми маємо справу із силами притягання і відштовхування між частинками речовини (мал. 2.2). Якщо тіло стискувати, то відстань між молекулами зменшується, і вони починають відштовхуватися одна від одної, щоб знову зайняти попереднє положення до деформації. Якщо ж тіло розтягувати, то відстань між молекулами збільшується, і вони починають сильніше притягуватись одна до одної, щоб зайняти положення, яке вони займали до деформації.

Оскільки у різних речовин ці сили можуть набувати різного значення, то й результат буде різним: є матеріали, які після припинення зовнішньої дії, що їх деформує, повністю відновлюють свою форму (їх називають пружними); ті, що не відновлюють форму, називають пластичними; а ті, які взагалі не протидіють прикладеній силі й руйнуються, — крихкими.

Мал. 2.2. Порівняй розташування частинок речовини після припинення розтягування металевої пружини (а) та шматка пластиліну (б)

Тиск газів обумовлений рухом і ударами частинок об стінки ємності, у якій він міститься. І закон Паскаля стверджує, що частинки рідини і газу можуть порівняно вільно рухатися в усіх напрямках, на відміну від твердих тіл. Тому у твердих тілах тиск передається лише у напрямку дії сили, а в рідинах і газах — в усіх напрямках однаково (мал. 2.3).

Мал. 2.3. Передавання тиску залежить від руху і взаємодії частинок речовини у різних агрегатних станах

Можна навести ще безліч фактів на підтвердження того, що частинки речовини рухаються, притягуються і відштовхуються.

- Процеси фарбування, склеювання, деформації твердих тіл тощо свідчать про існування сил притягання й відштовхування між молекулами.

- Явище дифузії стосується руху частинок.

- Тобі вже відомо, що від того, як розташовані, рухаються і взаємодіють частинки речовини, залежить її агрегатний стан — твердий, рідкий, газуватий. Розглянемо його з позицій молекулярно-кінетичної теорії будови речовини.

- Припускаю, що ми зараз матимемо справу ще із поняттями кінетичної енергії руху та потенціальної енергії взаємодії частинок речовини.

Відмінності у русі і взаємодії частинок речовини у різних агрегатних станах. У твердому тілі (solid) між структурними частинками (атомами або молекулами) діють значні сили притягання, й, відповідно, великою є потенціальна енергія взаємодії. Вільно переміщуватись (як у рідинах або газах) частинки твердих тіл не можуть. Вони можутьлише хаотично коливатися відносно своїх положень. Середня кінетична енергія руху частинок твердих тіл є незначною.

Такі особливості розташування, руху і взаємодії частинок твердих тіл забезпечують їм певну форму й об’єм.

Тверді тіла можуть бути кристалічними або аморфними (мал. 2.4). Прикладами кристалічних тіл (crystalline solids) є кварц, золото, лід, гірський кришталь, кремній, галіт (кам’яна сіль) та багато інших. Для кристалічних твердих тіл характерне впорядковане розташування молекул, його називають дальнім порядком. Тверді тіла, які не мають дальнього порядку в розташуванні частинок, називають аморфними (amorphous solids) (наприклад, скло, смола, парафін, цукор).

Мал. 2.4

У рідині (liquid) потенціальна енергія взаємодії молекул також більша, ніж кінетична енергія їхнього руху. Однак молекули рідини достатньо рухливі, тому вони часто змінюють своє положення, рухаючись «стрибками». Молекули рідини перебувають здебільшого в щільному оточенні сусідніх молекул. Коли ж раптово поруч виникає розрідження, молекула проникає в нього. Таким чином вона потрапляє в «компанію» інших молекул і перебуває там, поки не з’явиться можливість для нового «стрибка». Рухаючись, молекули рідини в будь-який момент часу мають більш-менш упорядковане розташування, яке називають ближнім порядком (мал. 2.5, а). Однак цей порядок на великих відстанях не зберігається, і саме тому його називають ближнім. У рідкому стані речовина за незмінних зовнішніх умов зберігає об’єм, але не тримає форму. Це означає, що рідина може займати тільки частину об’єму посудини, але може вільно перетікати й проникати в усі її закутки (мал. 2.5, б).

Мал. 2.5. Властивості рідин: а — ближній порядок; б — текучість

Існують такі речовини, їх називають рідкі кристали (liquid crystals), які мають одночасно властивості рідин і твердих тіл (мал. 2.6, а). Вони текучі, як рідини, а як тверді тіла мають упорядковане розташування молекул. Тому краплини рідких кристалів завжди строго визначеної форми. Найбільш характерною властивістю рідких кристалів є їхня здатність змінювати орієнтацію молекул під впливом електричних полів, що відкриває широкі можливості для застосування їх у рідкокристалічних дисплеях. Вони дуже чутливі до змін температури — змінюють своє забарвлення навіть за зміни температури на долі градуса. Цю властивість використовують у медичних пристроях. За допомогою рідких кристалів виявляють пари шкідливих хімічних сполук і небезпечне для здоров’я людини випромінювання.

Рідкі кристали є в організмі людини (в мозку, м’язах). Деякі комахи завдяки рідким кристалам мають унікальне забарвлення (мал. 2.6, б).

Мал. 2.6

У газах (gas) окремі молекули слабо взаємодіють між собою й рухаються хаотично. Середня кінетична енергія молекул є більшою, ніж їхня потенціальна енергія. У газуватому стані молекули майже не зазнають взаємного притягання. Відстань між атомами й молекулами газів набагато більша за їхні розміри (приблизно в десятки, а то й сотні разів). Цим, зокрема, пояснюється значна стисливість газів. Гази не зберігають ані форми, ані об’єму, тобто займають весь об’єм посудини, у якій вони містяться. Ці ознаки зумовлені тим, що молекули газу між короткочасними зіткненнями перебувають у вільному русі.

Здебільшого, у звичних для людини земних умовах, певний газ має однакову густину, температуру, тиск у будь-якій точці посудини, яку займає. Однак це не універсальний закон. Наприклад, повітря в полі тяжіння нашої планети має різну густину, тиск і температуру: ці величини зменшуються з віддаленням від поверхні Землі.

Речовина за певних умов може змінювати свій агрегатний стан. При цьому змінюється лише рух частинок речовини та взаємодія між ними, в той час як склад частинок залишається незмінним.

Виокремлюють ще один стан речовини — плазму (plasma). Плазмою називають різновид газу, який складається із «зруйнованих атомів»: йонів та окремих електронів. Плазма може утворитися за значного нагрівання газу.

За сучасними уявленнями більшу частину речовини (за масою близько 99,9 %) у Всесвіті складає плазма. Всі зорі складаються з плазми, і навіть простір навколо них заповнений плазмою, хоча й дуже розрідженою. У земних умовах плазму можна спостерігати в атмосферних явищах: блискавка, північне сяйво. Полум’я також є плазмою. Штучно створена плазма міститься у плазмових панелях моніторів.

• Переглянь в е-додатку анімаційну модель руху та взаємодії частинок речовини у різних агрегатних станах (2.1).

ДУМАЙ

1. Що є свідченням того, що частинки речовини рухаються і взаємодіють?
2. Які особливості руху і взаємодії молекул у рідкому, твердому та газоподібному станах?
3. Чому розташування частинок у твердих (кристалічних) тілах називають дальнім порядком, а у рідин — ближнім?
4. У чому особливості будови аморфних твердих тіл та рідких кристалів?
5. Що є причиною зміни агрегатного стану речовини?
6. Що називають плазмою?

ДІЙ

РОЗВ’ЯЖИ ЗАДАЧІ

Певний газ перетворили на рідину внаслідок сильного охолодження. При цьому об’єм газу зменшився у 700 разів. Визнач, яку частину від об’єму газу складав об’єм його молекул.

ВИКОНАЙ ДОСЛІДЖЕННЯ

Візьми участь у груповій роботі

1. Об’єднайтеся в групи й змоделюйте рухи частинок у різних агрегатних станах речовини.

Перша група — продемонструйте безладний рух молекул у газі (вільно переміщайтеся).

Друга група — рухайте, тримаючись за руки, притягуючись і відштовхуючись. Для демонстрації плинності хтось має очолити рух у певному напрямку, інші — рухатися слідом.

Третя група — сформуйте колони по троє, покладіть руки на плече того/тієї, хто стоїть попереду й праворуч, і здійснюйти слабкі коливальні рухи на місці.

2. Спостерігайте за ростом кристалів. Обладнання: мікроскоп, насичений розчин кухонної солі. Нанеси невеличку краплю насиченого розчину кухонної солі на покривне скло. Спостерігайте через деякий час інтенсивне утворення кристалів та їх ріст. Доповніть висновок:

Ріст кристалів із розчинів заснований на ... атомів (молекул) розчиненої речовини з перенасиченого розчину до зростаючого кристала.

ОПРАЦЮЙ ІНФОРМАЦІЮ

• Дізнайся із додаткових джерел про незвичайні речовини: металеве скло, рідкі кристали, неньютонівську рідину.

• Переглянь в е-додатку досліди, які демонструють «ефект пам’яті форми» (2.2). Дізнайся про нього більше. Яке його практичне значення?

ОЦІНИ СЕБЕ

• Виконай в е-додатку завдання для самооцінювання (2.3).