Статья о фазах вещества (на основе микроскопических свойств)
В повседневной жизни мы часто сталкиваемся с тремя различными фазами вещества. Это твердые вещества (например, камни, железо и т. д.), жидкости (вода, бензин и т. д.) и газообразные вещества (воздух и т. д.). Три фазы этих веществ можно различить по их способности сохранять свою форму и размер.
Твердые вещества обычно сохраняют фиксированную форму и объем. Жидкость не сохраняет свою форму, а подстраивается под занимаемую ею емкость. Например, если мы нальем воду в стакан, ее форма изменится, как у стакана. Если налить воду в ванну, ее форма изменится, как у ванны. Объем жидкости, как правило, всегда постоянен. Если стакан воды поместить в ванну, количество воды останется в стакане. Форма воды может меняться, но объем никогда не меняется. Следует помнить, что количество твердых веществ и жидкостей может изменяться при приложении достаточной силы.
А что насчет газа? Газ не имеет фиксированной формы и объема. Форма и объем газа всегда подстраиваются под форму и объем занимаемого им сосуда. Например, если мы закачаем газ в шину автомобиля, то изменение объема газа будет аналогично изменению объема шины. То же самое и с объемом. Находясь в корпусе, газ распространяется, заполняя все пространство шины. В этом случае количество газа изменяется подобно объему шины. Если мы надуем воздушный шар (накачаем в него воздух), форма и объем воздуха изменятся, как и форма и объем шара.
До сих пор мы различали три формы материи только на основе их макроскопических свойств (макроскопические свойства = форма и размер вещества). Конечно, это основано на результатах наших ежедневных измерений и наблюдений. Мы увидим разницу между тремя формами материи на основе их микроскопических свойств. Каждое вещество состоит из атомов или молекул. Когда мы говорим, что камень стабилен, мы никогда не знаем, что происходит с атомами или молекулами, находящимися внутри него, так что камень становится твердым. То же самое с водой. Что не так с атомами или молекулами, которые образуют лужи, так что фаза воды становится жидкой, а атмосфера невидима?
Формы веществ, определяемые на основе микроскопических свойств.
Прежде чем обсуждать различия между твердыми, жидкими и газообразными веществами на основе их микроскопических характеристик, давайте рассмотрим один объект. Например, камни. Если внимательно посмотреть на песок, мы увидим, что каждая часть камня слипается. Даже если его пнуть или бросить, его форма и размер никогда не меняются. Обычно все элементы камня всегда находятся в одном целостном измерении. Почему так? Давайте подумаем немного.
Внутри камня находятся атомы или молекулы. Теперь представьте себе камень. Попробуйте представить, что песок состоит из мелких кусочков. Чем больше кусочков камня, тем меньше они становятся. Представьте атомы как минимальный шар. Молекулы же состоят из нескольких шаров, соединенных вместе.
В горных породах содержится огромное количество молекул или атомов, их число минимально. Можете ли вы представить себе количество атомов в камне?
Диаметр одного атома составляет примерно 10⁻¹⁰ м . Если представить атом в виде шара, то диаметр шара равен 10⁻¹⁰ м . Минимальный и невидимый невооруженным глазом… Только воображаемый. Молекулы — это атомы, которые связаны между собой, поэтому размер молекулы значительно больше размера атома. Но и он невидим невооруженным глазом.
Если атомы или молекулы не образуют единое целое, то, конечно, не все части камня будут скреплены между собой. Каждый кусок породы скрепляется вместе, чтобы придать ей твердую форму. Почему же атомы или молекулы не разделяются?
Действительно, атомы или молекулы притягиваются друг к другу. Если бы атомы или молекулы не притягивались, они бы, конечно, разлетелись во все стороны. Каждый атом или молекула попрощалась бы со своим другом. Таким образом, куски камня разлетелись бы повсюду. Части породы тоже разлетелись бы, и мы в итоге не смогли бы их увидеть. Куски камня тоже состоят из атомов или молекул. Размер атомов ничтожно мал, поэтому, если бы они были разделены, конечно, мы бы их не увидели… Но в реальности все не так.
Камень выглядит твердым, каждая его часть прочно скреплена. Следовательно, можно сделать вывод, что атомы или молекулы, образующие твердые объекты, должны притягиваться друг к другу.
Сила притяжения между атомами или молекулами — это электромагнитная сила. Наличие сил притяжения заставляет атомы или молекулы сближаться. При столкновении электроны во внешней части атома или молекулы отталкиваются друг от друга (электрическое отталкивание). Расстояние заставляет атомы и молекулы двигаться назад. Несмотря на отступление, из-за притяжения они снова сближаются. Атомы или молекулы движутся взад и вперед (вибрируют), сохраняя при этом минимальное расстояние.
Различие между твердыми телами, жидкостями и газами, основанное на их микроскопических свойствах, заключается в силе и слабости притяжения между атомами или молекулами этих трех веществ.
SOLID
В твердых телах силы притяжения между атомами или молекулами настолько сильны, что атомы или молекулы, образующие твердые тела, всегда находятся в фиксированном положении. Атомы или молекулы в твердых телах движутся взад и вперед (вибрируют), но они все равно вибрируют на одном и том же месте.
Сила притяжения между атомами или молекулами этих твердых тел является причиной того, что их форма и объем всегда остаются неизменными. Даже если камень или железо бросить или ударить, их форма вряд ли изменится, потому что сила притяжения между атомами или молекулами очень велика. Когда вы кладете камни или металл в ведро или ванну, объем камня или металла никогда не меняется. Таким образом, сильное притяжение между атомами или молекулами, составляющими эти твердые тела, удерживает их в едином целостном виде, и их форма кажется твердой.
Расположение атомов или молекул, образующих твердые тела, подобно изображению (также известному как кристаллическая решетка). Это изображение увеличено. Атомы или молекулы очень малы.
жидкость
В жидкостях сила притяжения между атомами или молекулами менее сильна, поэтому они могут свободно перемещаться взад и вперед, перекрывая друг друга. Атомы или молекулы, образующие жидкость, действительно могут свободно двигаться, но они не могут попрощаться со своими «друзьями». Величина притяжения все еще может предотвратить их рассеивание.
Причина в том, что форма жидкости может меняться, но объем всегда остается неизменным. Когда мы наливаем воду в стакан, сила притяжения между атомами или молекулами недостаточно сильна, чтобы форма воды менялась, как форма стакана. Когда мы наливаем воду в ванну, меньшая сила притяжения между атомами или молекулами заставляет воду принимать форму ванны. Объем жидкости всегда остается неизменным, потому что сила притяжения между атомами или молекулами все еще может удерживать их вместе. Атомы или молекулы, образующие воду, не рассеиваются, поэтому объем всегда остается постоянным.
Положение атома или молекулы, составляющей жидкость, как показано на рисунке (стрелка указывает направление движения).
Газ
В газообразных веществах притяжение между атомами или молекулами слабое. Они свободно перемещаются, поскольку между ними нет связей. Слабое притяжение приводит к тому, что атомы или молекулы, образующие газообразное вещество, рассеяны повсюду. Атомы, образующие газообразное вещество, более свободны, чем атомы, образующие твердые или жидкие вещества.
Положение атомов или молекул, образующих газ, показано на рисунке.
Хрупкое притяжение является причиной изменения формы и объема газообразного вещества, и именно поэтому глаз не может увидеть воздух. Размер атомов или молекул настолько мал, что если они рассеяны повсюду, то мы их не увидим. Размер песчинок или сахара намного больше, чем размер атомов или молекул, поэтому даже если они рассеяны, песчинки все равно можно увидеть невооруженным глазом, хотя это и несколько затруднительно.
Твердые или жидкие вещества можно наблюдать, потому что атомы или молекулы в них не рассеяны. Сила притяжения в твердых и газообразных веществах все еще способна удерживать их вместе. Сила притяжения в газообразных веществах слаба, поэтому они не способны удерживать атомы или молекулы вместе. Это слабое притяжение также является причиной того, что газы и жидкости могут течь.
