Строение газообразных, жидких и твердых тел
Материалы к уроку
Конспект урока
Строение газообразных, жидких и твердых тел
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.
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.
Остались вопросы по теме? Наши педагоги готовы помочь!
Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам
Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки
Повысим успеваемость по школьным предметам
Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ