Агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газ

Три способа двигаться

Всё вокруг состоит из частиц, которые никогда не останавливаются. В твёрдом теле они колеблются на месте, закреплённые в своих позициях, поэтому твёрдое тело сохраняет форму. В жидкости они держатся рядом, но скользят друг мимо друга, поэтому жидкость сохраняет объём, но принимает форму сосуда. В газе частицы далеко друг от друга и летают свободно, поэтому газ заполняет любой сосуд. Температура показывает, как быстро в среднем движутся частицы. Меняйте температуру в песочнице и смотрите, как те же частицы переходят от дрожания к скольжению и к полёту.

Два главных числа воды

При давлении на уровне моря, 101,325 кПа, вода плавится и замерзает при 0 °C, а кипит при 100 °C. Обратите внимание на странность: пока лёд тает, температура держится на 0 °C, пока не растает весь лёд, потому что тепло уходит на ослабление связей между молекулами, а не на их разгон. На плавление 1 кг льда нужно около 334 кДж. Чтобы превратить 1 кг кипящей воды в пар, нужно около 2260 кДж, почти в семь раз больше, поэтому ожоги паром так опасны. Картина показывает, как греется кусок льда, и рисует линию температуры с ровными ступеньками.

Плазма

Нагрейте газ достаточно сильно, и его атомы начнут терять электроны. Получится плазма: газ из заряженных ионов и свободных электронов, который светится и проводит ток. Молния превращает воздух в своём канале в плазму с температурой около 30 000 К. Солнце — шар из плазмы, как и другие звёзды, поэтому плазма — самое распространённое состояние видимого вещества во Вселенной. На Земле её можно встретить в неоновых вывесках и в полярных сияниях. Её часто называют четвёртым состоянием вещества. На картине атомы теряют электроны, которые разлетаются искрами света, пока температура растёт.

Давление сдвигает точку кипения

Вода кипит, когда давление её насыщенного пара становится равным давлению воздуха над ней. Уберите часть этого давления, и кипение начнётся раньше. На вершине Эвереста, где давление воздуха примерно втрое меньше, чем на уровне моря, вода кипит при температуре около 70 °C, и чаю такая температура не радует. Повысьте давление, и произойдёт обратное. Скороварка запирает пар, пока давление не вырастет примерно вдвое по сравнению с воздухом, и вода кипит около 120 °C, а еда готовится быстрее. На фазовой диаграмме точка отмечает состояние воды при каждой температуре и давлении; двигайте её и смотрите, в какую область она попадает.

Странность воды: лёд плавает

Большинство жидкостей при замерзании сжимается. Вода делает наоборот. Жидкая вода плотнее всего при температуре около 4 °C, а ниже молекулы начинают выстраиваться в открытую шестиугольную структуру, удерживаемую водородными связями. Поэтому лёд занимает примерно на 9 % больше места, чем вода, из которой он образовался: его плотность 0,92 г/см³ против почти 1,00 у жидкой воды, и лёд плавает. Зимой озеро остывает, пока вода у поверхности не достигнет 4 °C, самая плотная вода тонет, и сверху образуется лёд, как крышка. Под ней вода остаётся жидкой, и рыбы выживают. В песочнице охладите воду с 10 °C к 0 °C и смотрите, как частицы раскрываются в решётку.

Состояния вещества