МБОУ «Мужевская СОШ им. Н.В.Архангельского»
Конспект открытого урока
по теме:
«Строение газообразных, жидких и твёрдых тел» в 10 классе.
Работу выполнил учитель физики
Лощаков Вячеслав Викторович
2014-2015 уч.год
Урок "Строение газообразных, жидких и твёрдых тел"
Цель урока: на основе МКТ объяснить особенности строения тел в различных состояниях, расширить кругозор учащихся по данному вопросу, показать неразрывную связь изучаемого материала с химией, математикой, способствовать развитию интереса к предмету, выработать внимание, трудолюбие, стремление к познанию окружающего мира.
Задачи урока:
Образовательные:
Способствовать овладению знаниями по теме “Строение газообразных, жидких и твёрдых тел”;
Установить характер зависимости сил притяжения и отталкивания от расстояния между молекулами;
Учиться решать качественные задачи.
Развивающие:
Развивать:
наблюдательность, самостоятельность;
умение применять знания теории на практике;
содействовать развитию речи, мышления
Воспитательные:
Формирование представлений о единстве и взаимосвязи явлений природы.
Формировать положительное отношение к предмету
Тип урока: Урок изучения нового материала.
Форма урока: комбинированный
Оборудование и материалы: , компьютер, экран, мультимедийный проектор, демонстрационный материал: кусок льда, колбы различной формы с водой, эл.чайник с горячей водой, пластиковая бутылка с водой, колбы, различной формы, шприц, модели кристаллических решеток, различные материалы (сталь, чугун, медь, алюминий, пластмассы, смолы, подсолнечное масло и т.д.), воздушные шары, насос.
Ход урока
Организационная часть .
Учитель: Здравствуйте. В 1836 году русский поэт Фёдор Иванович Тютчев написал такие проникновенные строки (Слайд 1)
Не то, что мните вы, природа:
Не слепок, не бездушный лик –
В ней есть душа, в ней есть свобода,
В ней есть любовь, в ней есть язык.
2) Постановка целей и задач урока.
Атомы и молекулы могут располагаться в пространстве в самом причудливом порядке, составить различные вещества, которые под действием внешних условий (температуры, давления) могут находиться в различных агрегатных состояниях. (Слайд2)
Учитель: Кто назовет эти состояния?
Ответ: твердое, жидкое, газообразное.
Учитель: правильно, и есть еще одно, четвертое состояние вещества - плазма, но об этом мы поговорим на других уроках.
А сегодня мы рассмотрим строение газообразных, жидких и твердых тел. Откройте тетради и запишите тему урока:
“Строение газообразных, жидких и твёрдых тел”. (Слайд 3)
На партах у вас образец таблицы, перечертите её себе в тетрадь, мы заполним её в процессе урока. (Слайд 4)
состояние
вещества
расстояние
между
частицами
движение
взаимодействие
энергия
свойства
газообразное
жидкое
твердое
В качестве примера, рассмотрим самое распространённое вещество на Земле – воду. (Слайд 5)
Какой формулой в химии обозначается вода?
Ученик: Н 2 О.
Учитель: правильно, Н 2 О – одного атома кислорода и двух атомов водорода.
Мы знаем, что вода бывает разная: твердая- лёд (демонстрирует кусок льда), жидкая- вода в стакане, газообразная – пар (наливает горячую воду из чайника).
(Слайд 5)
Отличаются ли молекулы льда и пара от молекулы воды?
Ученик: Нет.
Молекулы пара и льда также состоят из одного атома кислорода и двух атомов водорода.(Слайд 6)
Учитель: Зададимся вопросом: почему в одном случае вещество газообразное, в другом жидкое, а в третьем – твердое?
3) Этап объяснения нового материала
Найти ответ на этот вопрос позволяет молекулярно-кинетическая теория.
Вспомним основные положения МКТ, которые были впервые сформулированы великим русским ученым М.В.Ломоносовым.
Ученик :
все вещества состоят из частиц;
эти частицы беспорядочно движутся;
частицы взаимодействуют друг с другом.
Учитель:
Так как состав воды, льда и пара одинаков, то, очевидно, состояние вещества зависит от того, как частицы движутся и как взаимодействуют друг с другом..
Если в самых общих чертах представить себе строение газов, жидкостей и твердых тел, то можно нарисовать такую картину (демонстрирует таблицу с изображением молекул пара, воды, льда).
Учитель: Что можно сказать о взаимном расположении частиц в этих трех состояниях?
Ученик : *В газах частицы расположены далеко друг от друга, беспорядочно. *В жидкостях частицы расположены почти вплотную, порядка в расположении нет.
*В твердых телах молекулы расположены вплотную и в определенном порядке.
Учитель: Правильно. В газах расстояние между частицами в среднем во много раз превышает размеры самих частиц. Сжатие воздуха доказывает наличие больших расстояний между молекулами.
Быстрое распространение запахов доказывает, что молекулы газов движутся с большими скоростями, беспорядочно. Частицы газа подобно бегунам - спринтерам, стремительно проносятся в пространстве
Частицы сталкиваются друг с другом и разлетаются в разные стороны подобно бильярдным шарам. Слабые силы притяжения в газах не способны удержать частицы друг около друга. Поэтому газы могут неограниченно расширяться.
Напоминаю, что движущееся тело обладает кинетической энергией «Е к ». Энергию взаимодействия называют потенциальной «Е п ».
Вывод: вещество находится в газообразном состоянии, если энергия движения во много раз больше энергии взаимодействия.
Учитель: заполнили в таблице, в 1 строку
Состояние
вещества
Строение
Движение
Взаимодействие
Энергия
Свойства
газообразное
l>>r 0 .
беспорядочное
хаотическое,
υ » 100 м/с
Упругое столкновение,
F взаимодействия малы
Легко сжимаются.
Неограниченно расширяются.
Не сохраняют ни форму, ни объем
l ≈ r 0 .
Ближний порядок
Колебательное с перескоками,
Притяжение и отталкивание на расстоянии,
F взаимодействия достаточно велики
Е п › Е к
Плохо сжимаются Сохраняют объём
Текучи, легко меняют форму
l ≈ r 0
дальний порядок (кристаллическая решетка)
Колебательное около ОПР
Притяжение и отталкивание
F взаимодействия велики
Сохраняют объём и форму
Плохо сжимаются
Плохо растягиваются
Учитель: Записываем в тетрадь (СЛАЙД 7)
Легко сжимаются.
Могут неограниченно расширяться.
Не сохраняют ни форму, ни объём.
(Учащиеся выполняют запись в тетради.)
Учитель: переходим к жидкостям.
Ученик : *В жидкостях частицы расположены почти вплотную, порядка в расположении нет.
Учитель: Совершенно верно.
Молекулы жидкости находятся непосредственно друг возле друга . l ≈ r 0 . Этим и объясняется малая сжимаемость жидкостей. При попытке изменить объем жидкости (даже на малую величину) силы отталкивания становятся очень велики.
Зажатые, другими молекулами, они совершают как бы “бег на месте” (колеблются около положения равновесия, сталкиваясь с соседними молекулами). Лишь время от времени какая-нибудь молекула совершает “ прыжок”, но тут же попадает в новую «клетку», образованную новыми соседями. Нет свободного движения частиц- всегда есть взаимодействие сразу с несколькими ближайшими частицами. Потенциальная энергия взаимодействия больше кинетической энергии движения.
Характер молекулярного движения в жидкостях, впервые установленный советским физиком Яковым Ильичем Френкелем (портрет ученого на стр 158 учебника), позволяет понять основные свойства жидкостей.
Учитель: Записываем основные выводы по жидкостям (Слайд 9)
Сохраняют свой объём
Текучи, легко меняют форму
Принимают форму сосуда
Плохо сжимаются
Учитель: Твердые тела.
Ученик : *В твердых телах молекулы расположены вплотную и в определенном порядке.
Учитель: Да. l ≈ r 0 . Атомы или молекулы твердых тел в отличие от атомов или молекул жидкостей колеблются всегда около определенных положений равновесия. Это объясняется взаимодействием частиц. На каждую частицу действует большее число частиц, чем в случае с жидкостью, её положение более устойчиво, так как возникает дальний порядок. Если соединить эти положения, то получится пространственная решетка, её называют кристаллическая.
На стр. 159 учебника, рис. 8.9 и 8.10 изображены кристаллические решетки поваренной соли и алмаза. (Слайд 10)
Внутренний порядок в расположении атомов кристаллов приводит к правильным внешним геометрическим формам. Твердые тела сохраняют не только объем, но и форму.
Существует притяжение и отталкивание частиц, потенциальная энергия взаимодействия частиц значительно больше их кинетической энергии (больше, чем у жидкостей).
Алмаз и графит - это атомы одного и того же элемента углерода, но расположенные в разном порядке и имеющие разные кристаллические решетки.
Алмаз - самый твердый среди минералов, это царь всех камней. Он крепче всех веществ на свете, это свет солнца, сгустившийся в земле и охлажденный временем. Он играет всеми цветами, но сам остаётся прозрачным, точно капля воды. Благодаря своей исключительной твердости алмаз играет громадную роль в технике. Алмазными пилами распиливают камни, алмазные буры используют при разведке недр. Через волочильные алмазы протягивают нити парашютной ткани, с помощью алмаза изготавливают тонкую проволоку твердых металлов .
Природный алмаз встречается редко, поэтому его получают искусственным путем.
Графит совершенно не похож на алмаз. Твердость графита столь незначительна, что он легко оставляет след на бумаге. Из него изготавливают стержни для карандашей.
Разрабатывая проблему синтеза алмаза из графита исследователи обратили внимание на материал, очень схожий по структуре с графитом -нитрит бора,- и получили алмазоподобный материал борнитрит (боразон). Он оказался даже тверже алмаза и термически более стойким (алмаз сгорает при температуре 627°С, а боразон - при 2000 °С). Боразон нашел широкое применение в технике. Так наука привела к созданию нового материала.
Записываем в тетрадь:
(Слайд 11)
Сохраняют объём и форму
Плохо сжимаются
Плохо растягиваются
Учитель: пришло время ответить на поставленный в начале урока вопрос: от чего зависит, что одно и то же вещество может находиться в разных агрегатных состояниях?
Ответы учащихся: От расстояния между частицами, от сил взаимодействия, т.е от того, как расположены молекулы, как они движутся и как взаимодействуют друг с другом. (Слайд14)
4) Этап закрепления пройденного материала. Игра “Что за состояние?” (СЛАЙДЫ 12-30)
Оценку “5” получает учащийся, набравший наибольшее количество баллов.
Учитель выставляет оценки в журнал.
5) Домашнее задание: § 60, ответить на вопросы после параграфа (Слайд 32)
6) Заключение
Учитель
:
Решать загадки можно вечно.
Вселенная ведь бесконечна.
Спасибо всем нам за урок,
А главное, чтоб был он впрок!
7) Подведение итогов урока.
Что нового узнали на уроке?
Ученик : Знание строения вещества необходимо для того, чтобы понимать все физические явления в природе.
Вся неживая материя состоит из частиц, поведение которых может отличаться. Строение газообразных, жидких и твердых тел имеет свои особенности. Частицы в твердых телах удерживаются вместе, так как расположены очень тесно друг к другу, это делает их очень прочными. Кроме того, они могут держать определенную форму, так как их мельчайшие частицы практически не двигаются, а только вибрируют. Молекулы в жидкостях находятся довольно близко друг к другу, однако они могут свободно передвигаться, поэтому собственной формы они не имеют. Частицы в газах движутся очень быстро, вокруг них, как правило, много пространства, что предполагает их легкое сжатие.
Свойства и строение твердых тел
Какова структура и особенности строения твердых тел? Они состоят из частиц, которые расположены очень близко друг к другу. Они не могут перемещаться, и поэтому их форма остается фиксированной. Каковы свойства твердого тела? Оно не сжимается, но если его нагреть, то его объем будет увеличиваться с ростом температуры. Это происходит потому, что частицы начинают вибрировать и двигаться, что приводит к уменьшению плотности.
Одной из особенностей твердых тел является то, что они имеют неизменную форму. Когда твердое тело нагревается, средняя скорость движения частиц увеличивается. Быстрее движущиеся частицы сталкиваются более яростно, заставляя каждую частицу толкать своих соседей. Следовательно, повышение температуры обычно приводит к повышению прочности тела.
Кристаллическое строение твердых тел
Межмолекулярные силы взаимодействия между соседними молекулами твердого тела достаточно сильны, чтобы держать их в фиксированном положении. Если эти мельчайшие частицы находятся в высокоупорядоченной комплектации, то такие структуры принято называть кристаллическими. Вопросами внутренней упорядоченности частиц (атомов, ионов, молекул) элемента или соединения занимается специальная наука — кристаллография.
Химическое строение твердого тела также вызывает особый интерес. Изучая поведение частиц, того, как они устроены, химики могут объяснить и предсказать, как определенные виды материалов будут себя вести при определенных условиях. Мельчайшие частицы твердого тела расположены в виде решетки. Это так называемое регулярное расположение частиц, где немаловажное значение играют различные химические связи между ними.
Зонная теория строения твердого тела рассматривает твердое вещество как совокупность атомов, каждый их которых, в свою очередь, состоит из ядра и электронов. В кристаллическом строении ядра атомов находятся в узелках кристаллической решетки, для которой характерна определенная пространственная периодичность.
Что такое структура жидкости?
Строение твердых тел и жидкостей схоже тем, что частицы, из которых они состоят, находятся на близком расстоянии. Различие состоит в том, что молекулы жидкого вещества свободно перемещаются, так как сила притяжения между ними гораздо слабее, нежели в твердом теле.
Какими же свойствами обладает жидкость? Во-первых, это текучесть, во-вторых, жидкость будет принимать форму контейнера, в который ее помещают. Если ее нагреть, объем будет увеличиваться. Из-за близкого расположения частиц друг к другу жидкость не может быть сжата.
Какова структура и строение газообразных тел?
Частицы газа располагаются случайным образом, они находятся так далеко друг от друга, что между ними не может возникнуть сила притяжения. Какими свойствами обладает газ и каково строение газообразных тел? Как правило, газ равномерно заполняет все пространство, в которое он был помещен. Он легко сжимается. Скорость частиц газообразного тела увеличивается вместе с ростом температуры. При этом происходит также повышение давления.
Строение газообразных, жидких и твердых тел характеризуется разными расстояниями между мельчайшими частицами этих веществ. Частицы газа находятся гораздо дальше друг от друга, чем в твердом или жидком состоянии. В воздухе, например, среднее расстояние между частицами примерно в десять раз превышает диаметр каждой частицы. Таким образом, объем молекул занимает всего около 0,1 % от общего объема. Остальные 99,9 % составляет пустое пространство. В противоположность этому частицы жидкости заполняют около 70 % общего объема жидкости.
Каждая частица газа движется свободно по прямолинейному пути, пока она не столкнется с другой частицей (газа, жидкости или твердого тела). Частицы обычно движутся достаточно быстро, а после того как две из них сталкиваются, они отскакивают друг от друга и продолжают свой путь в одиночку. Эти столкновения меняют направление и скорость. Эти свойства газовых частиц позволяют газам расширяться, чтобы заполнить любую форму или объем.
Изменение состояния
Строение газообразных, жидких и твердых тел может меняться, если на них оказывается определенное внешнее воздействие. Они могут даже переходить в состояния друг друга при определенных условиях, например в процессе нагревания или охлаждения.
Поведение тел в разных физических состояниях
Строение газов, жидкостей, твердых тел главным образом обусловлено тем, что все эти вещества состоят из атомов, молекул или ионов, однако поведение этих частиц может быть совершенно разным. Частицы газа хаотичным образом удалены друг от друга, молекулы жидкости находятся близко друг к другу, но они не так жестко структурированы, как в твердом теле. Частицы газа вибрируют и передвигаются на высоких скоростях. Атомы и молекулы жидкости вибрируют, перемещаются и скользят мимо друг друга. Частицы твердого тела также могут вибрировать, но движение как таковое для них не свойственно.
Особенности внутренней структуры
Для того чтобы понять поведение материи, нужно сначала изучить особенности ее внутренней структуры. Каковы внутренние различия между гранитом, оливковым маслом и гелием в воздушном шарике? Простая модель структуры материи поможет найти ответ на этот вопрос.
Модель является упрощенным вариантом реального предмета или вещества. Например, до того как начинается непосредственное строительство, архитекторы сначала конструируют модель строительного проекта. Такая упрощенная модель не обязательно предполагает точное описание, но в то же время она может дать приблизительное представление того, что будет собой представлять та или иная структура.
Упрощенные модели
В науке, однако, моделями не всегда выступают физические тела. За последнее столетие наблюдался значительный рост человеческого понимания о физическом мире. Однако большая часть накопленных знаний и опыта основана на чрезвычайно сложных представлениях, например в виде математических, химических и физических формул. Для того чтобы разобраться во всем этом, нужно быть достаточно хорошо подкованным в этих точных и сложнейших науках. Ученые разработали упрощенные модели для визуализации, объяснения и предсказания физических явлений. Все это значительным образом упрощает понимание того, почему некоторые тела имеют постоянную форму и объем при определенной температуре, а другие могут их менять и так далее.
Вся материя состоит из мельчайших частиц. Эти частицы находятся в постоянном движении. Объем движения связан с температурой. Повышенная температура свидетельствует об увеличении скорости движения. Строение газообразных, жидких и твердых тел отличается свободой передвижения их частиц, а также тем, насколько сильно частицы притягиваются друг к другу. Физические свойства вещества зависят от его физического состояния. Водяной пар, жидкая вода и лед имеют одинаковые химические свойства, но их физические свойства значительно отличаются.
Молекулярно-кинетическая теория дает возможность понять, почему вещество может находиться в газообразном, жидком и твердом состояниях.
Газ. В газах расстояние между атомами или молекулами в средем во много раз больше размеров самих молекул (рис. 10). Например, при атмосферном давлении объем сосуда в десятки
тысяч раз превышает объем находящихся в сосуде молекул газа.
Газы легко сжимаются, так как при сжатии газа уменьшается лишь среднее расстояние между молекулами, но молекулы не «сдавливают» друг друга (рис. 11).
Молекулы с огромными скоростями - сотни метров в секунду - движутся в пространстве. Сталкиваясь, они отскакивают друг от друга в разные стороны подобно бильярдным шарам.
Слабые силы притяжения молекул газа не способны удержать их друг возле друга. Поэтому газы могут неограниченно расширяться. Они не сохраняют ни формы, ни объема.
Многочисленные удары молекул о стенки сосуда создают давление газа.
Жидкости. В жидкостях молекулы расположены почти вплотную друг к другу (рис. 12). Поэтому молекула в жидкости ведет себя иначе, чем в газе. Зажатая, как в клетке, другими молекулами, она совершает «бег на месте» (колеблется около положения равновесия, сталкиваясь с соседними молекулами). Лишь время от времени она совершает «прыжок», прорываясь сквозь «прутья клетки», но тут же попадает в новую «клетку», образованную новыми соседями. Время «оседлой жизни» молекулы воды, т. е. время колебаний около одного определенного положения равновесия, при комнатной температуре равно в среднем с. Время же одного колебания значительно меньше ( с). С повышением температуры время «оседлой жизни» молекул уменьшается. Характер молекулярного движения в жидкостях, впервые установленный советским физиком Я. И. Френкелем, позволяет понять основные свойства жидкостей.
Молекулы жидкости находятся непосредственно друг возле друга Поэтому при попытке изменить объем жидкости даже на малую величину начинается деформация самих молекул (рис. 13). А для этого нужны очень большие силы. Этим и объясняется малая сжимаемость жидкостей
Жидкости, как известно, текучи, т. е. не сохраняют своей формы. Объясняется это следующим. Если жидкость не течет, то перескоки молекул из одного «оседлого» положения в другое происходгт с одинаковой частотой по всем направлениям (рис. 12). Внешняя сила заметно не изменяет числа перескоков молекул в секунду, но перескоки молекул из одного «оседлого» положения в другое при этом происходят преимущественно в направлении действия внешней силы (рис. 14). Вот почему жидкость течет и принимает форму сосуда
Твердые тела. Атомы или молекулы твердых тел в отличие от жидкостей колеблются около определенных положений равновесия. Правда, иногда молекулы изменяют положение равновесия, но происходит это крайне редко. Вот почему твердые тела сохраняют не только объем, но и форму.
Есть еще одно важное различие между жидкостями и твердыми телами. Жидкость можно сравнить с толпой, отдельные члены которой беспокойно толкутся на месте, а твердое тело подобно стройной когорте, члены которой хотя и не стоят по стойке «смирно» (вследствие теплового движения), но выдерживают между собой в среднем определенные интервалы. Если соединить центры положений равновесия атомов или ионов твердого тела, то получится правильная пространственная решетка, называемая кристаллической. На рисунках 15 и 16 изображены кристаллические решетки поваренной соли и алмаза. Внутренний порядок в расположении атомов кристаллов приводит к геометрически правильным внешним формам. На рисунке 17 показаны якутские алмазы.
Качественное объяснение основных свойств вещества на основе молекулярно-кинетической теории, как вы видели, не является особенно сложным. Однако теория, устанавливающая количественные соотношения между измеряемыми на опыте величинами (давлением, температурой и др.) и свойствами самих молекул, их числом и скоростью движения, весьма сложна. Мы ограничимся рассмотрением теории газов.
1. Приведите доказательства существования теплового движения молекул.
2. Почему броуновское движение заметно лишь у частиц малой массы?
3. Какова природа молекулярных сил? 4. Как силы взаимодействия между молекулами зависят от расстояния между ними? 5. Почему два свинцовых бруска с гладкими чистыми срезами слипаются, если их прижать друг к другу? 6. В чем состоит различие теплового движения молекул газов, жидкостей и твердых тел?
Изучив свойства и строение твёрдых, жидких и аморфных тел, для которых характерны дальний или ближний порядок в расположении частиц, перейдём к рассмотрению свойств и строения газообразных тел. Для газов характерно полное отсутствие порядка в расположении и движении частиц. Как говорят физики, во всех газах их частицы расположены и движутся хаотически (греч. «хаос» – беспорядок).
Вы знаете много газов: водород, кислород, углекислый газ, водяной пар, пары ртути, азот, озон, хлор, воздух (как смесь газов). Все они очень разные. Водород лёгкий, а углекислый газ тяжёлый; азот не пахнет, а озон «щиплет» нос; водяные пары безвредны, а пары ртути ядовиты; воздух бесцветный, а хлор имеет жёлто-зелёный цвет. Эти свойства у газов разные, но есть и общие.
Во-первых, все газы очень хорошо поддаются сжатию. Их можно сжать в 100 и более раз. Во-вторых, все газы подчиняются закону Паскаля, передавая оказанное на них давление в другие части сосуда. В-третьих, в отличие от жидкостей, газы всегда оказывают давление, даже в невесомости. Как же можно объяснить эти общие свойства всех газов? На этот вопрос отвечает молекулярно-кинетическая теория.
Строение газообразных тел. При обычных условиях расстояния между частицами газа во много раз больше размеров самих частиц, а кинетическая энергия их движения гораздо больше (по модулю) потенциальной энергии их притяжения друг к другу и/или к Земле. Поэтому частицы газа практически свободно летают, сталкиваясь друг с другом и «бомбардируя» стенки сосуда, в котором находятся.
Таково объяснение давления газов . Оно будет справедливым и в условиях невесомости, где давление газов сохраняется в отличие от давления твёрдых и жидких тел.
Заметим, что давление жидкости имеет совсем иное происхождение: вышележащие слои жидкости своим весом придавливают нижележащие слои (поэтому по мере опускания ко дну сосуда давление возрастает). В каждом слое из-за частых соударений частиц давление передаётся во все стороны, в том числе и на стенки сосуда. Поэтому в условиях невесомости (где жидкость и её отдельные слои не имеют веса) давление жидкости на дно и стенки сосуда будет равно нулю.
Это важное отличие происхождения давления газа от давления жидкости подтверждает опыт. На рисунке изображены два сосуда: левый – с жидкостью, а правый – с газом. Сосуды снабжены манометрами: вблизи дна, в средней части и вблизи горловины. Взгляните: у сосуда с газом манометры показывают одинаковые давления, а у сосуда с жидкостью – возрастающие значения по мере опускания. Причина этого – различный «механизм» происхождения давления в жидкостях и газах.
Объясним теперь свойство газов легко поддаваться сжатию и подчиняться закону Паскаля. Обратимся к рисунку. Вдвинув поршень, мы уплотним расположение частиц вблизи него. Однако вскоре эти частицы разлетятся по всему объёму сосуда, и в результате газ станет более плотным, а «бомбардировка» его частицами стенок сосуда – более интенсивной. То есть газ передаст оказанное на него давление поршня во все стороны.
Вспомним, что при увеличении температуры газа его давление возрастает (см. § 4-г). МКТ легко объясняет этот факт. Повышение температуры приводит к увеличению скорости движения частиц газа, поэтому «бомбардировка» частицами стенок сосуда усиливается, что и означает возрастание давления газа.
Молекулярно - кинетическая теория дает возможность понять, почему вещество может находиться в разных агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом.
Внешними отличительными чертами этих состояний являются сжимаемость (изменение объема) и текучесть (сохранение формы).
С точки зрения молекулярно-кинетической теории, агрегатные состояния различаются по значению среднего расстояния между молекулами и характеру движения молекул друг относительно друга.
Увеличивая температуру газа при фиксированном давлении, можно получить частично, а затем полностью ионизованную плазму, которую часто считают четвертым состоянием вещества. С увеличением давления вещество может перейти в пятое - нейтронное - состояние, которое реализуется в природе в виде нейтронных звезд.
На основе МКТ рассмотрим различия и сходства теплового движения частиц газов, жидкостей и твердых тел.
Газы - это тела, в которых молекулы почти свободно хаотически двигаются в промежутках между столкновениями, во время которых резко меняется характер их движения. Согласно МКТ молекулы газа находятся друг от друга на расстояниях, превышающих размер самих молекул в несколько раз. В этом случае силы притяжения уже малы, поэтому, участвуя в хаотичном движении, молекулы газа могут удаляться на любое расстояние. Газ занимает объем сосуда любых размеров. Его можно существенно сжать под действием внешних сил.
Например, объем сосуда может в десятки тысяч раз превышать объем находящихся в нем молекул.
Газы легко сжимаются, если уменьшается среднее расстояние между молекулами, но форма молекулы не изменяется. Молекулы, двигаясь в пространстве с огромными скоростями - сотни метров в секунду, сталкиваются, затем отскакивают друг от друга в разные стороны подобно бильярдным шарам. Слабые силы притяжения молекул газа не способны удержать их друг возле друга.
Поэтому газы могут неограниченно расширяться. Они не сохраняют ни формы, ни объема.
Многочисленные удары молекул о стенки сосуда создают давление газа. Примером этому может служить воздушный шарик. Его невозможно надуть с одной стороны. Газ или воздух в шарике распространяется по всему объему.
Как можно судить о концентрации молекул внутри шарика? Чем больше газа внутри шарика, тем он плотнее накачан, т.е. становится более упругим.
Жидкости - это тела, образованные веществами, находящимися в состоянии, в котором не сохраняется форма тела под действием силы тяжести или небольшой нагрузки. Однако жидкость трудно сжимается даже под действием значительных сил.
Молекулы жидкости не образуют постоянной пространственной структуры; расположены друг от друга на расстояниях, сравнимых с размерами самих молекул, почти вплотную друг к другу, поэтому молекула жидкости ведет себя иначе, чем молекула газа. Характер движения этих молекул представляет собой множество колебаний относительно положения равновесия, в результате столкновения с соседними молекулами, т.е. временное оседлое положение, чередуется со скачками на новое оседлое положение.
В жидкостях существует так называемый ближний порядок, т. е. упорядоченное расположение молекул сохраняется на расстояниях, равных нескольким молекулярным диаметрам. Молекула колеблется около своего положения равновесия: здесь сила отталкивания равна силе притяжения, т. е. суммарная сила взаимодействия молекулы равна нулю. Время оседлой жизни молекулы воды: время ее колебаний около одного определенного положения равновесия при комнатной температуре, равно в среднем 10-11 с. Время же одного колебания значительно меньше 10-12-10-13 с. С повышением температуры время оседлой жизни молекул уменьшается.
Характер молекулярного движения в жидкостях, впервые установил советский физик Яков Ильич Френкель. Результаты его работы позволяют понять основные свойства жидкостей.
Молекулы жидкости находятся непосредственно друг возле друга. При уменьшении объема силы отталкивания становятся очень велики. Этим и объясняется малая сжимаемость жидкостей.
Жидкости текучи, т. е. не сохраняют своей формы, так как внешняя сила заметно не меняет числа перескоков молекул в секунду. Но перескоки молекул из одного оседлого положения в другое происходят преимущественно в направлении действия внешней силы. Вот почему жидкость течет и принимает форму сосуда.
Твердое тело - это агрегатное состояние вещества, характеризующееся стабильностью формы при значительных нагрузках (сравнимых с воздействием сил тяжести) и тепловым движением атомов в виде малых колебаний вокруг положений равновесия (отсюда возникновение деформаций лишь при больших внешних силах). Кроме того, расстояние между молекулами сравнимо с размером самих молекул, и между ними при сжатии возникают силы отталкивания (отсюда несжимаемость твердых тел).
Атомы или молекулы твердых тел, в отличие от атомов и молекул жидкостей, колеблются около определенных положений равновесия. По этой причине твердые тела сохраняют не только объем, но и форму. Потенциальная энергия взаимодействия молекул твердого тела существенно больше их кинетической энергии.
Есть еще одно важное различие между жидкостями и твердыми телами. Жидкость можно сравнить с толпой людей, где отдельные личности беспокойно толкутся на месте, а твердое тело подобно той же толпе людей, которые хотя и не стоят по стойке смирно, но выдерживают между собой в среднем определенные расстояния. Если соединить центры положений равновесия атомов или ионов твердого тела, то получится правильная пространственная решетка, называемая кристаллической.
На рисунках изображены кристаллические решетки поваренной соли и алмаза. Внутренний порядок в расположении атомов кристаллов приводит к правильным внешним геометрическим формам.
Различают кристаллические и аморфные твердые тела.
В аморфных телах атомы колеблются вокруг хаотически расположенных точек, упорядоченность которых наблюдается лишь на расстояниях, сравнимых с межатомными.
В кристаллах периодичность в расположении этих точек наблюдается для сколь угодно отдаленных атомов.
С точки зрения МКТ эти свойства объясняются упорядоченным расположением атомов (молекул) в теле. Такое расположение длительное время не меняется.
Кристалл - это твердое тело, обладающее трехмерной периодической атомной или молекулярной структурой. Обычно такое тело имеет форму правильного симметричного многогранника. Крупные одиночные кристаллы называются монокристаллами. В природе встречаются монокристаллы различных размеров: от очень больших кристаллов кварца (до нескольких сотен килограммов) до мелких (россыпи кристаллов алмаза). Отличительной особенностью кристаллических тел является:
1) анизотропия монокристаллов (зависимость свойств от направления); например, если стеклянную банку положить, то её легко можно раздавить, встав на неё. Однако, если поставить банку, то она легко выдержит ваш вес;
2) наличие фиксированной температуры плавления.
Аморфное тело не имеет упорядоченной (кристаллической) структуры молекул, сохраняет форму только благодаря затрудненности перемещения молекул относительно друг друга.
При нагревании аморфное тело размягчается постепенно. Механические, тепловые и другие свойства одинаковы вдоль всех направлений такого тела.
Аморфное состояние характерно для молекул, имеющих большую длину по сравнению с поперечным размером самих молекул (органические полимеры, стекла). При продолжительном воздействии малой силы аморфные тела, как и жидкости, обнаруживают текучесть.
