§ 12. Агрегатные состояния вещества

состояние одного и того же вещества (твёрдое, жидкое или газообразное), определяемое температурой и внешним давлением окружающей среды.

• 1. Тождественность молекул — молекулы одного и того же вещества в твёрдом, жидком и газообразном состояниях абсолютно одинаковы по своему химическому составу, строению, массе и внутренним свойствам; различия физических состояний вызваны исключительно расстояниями между молекулами, силами их взаимодействия и характером движения.
• 2. Универсальность перехода — практически любое вещество в природе при изменении внешних термодинамических условий (нагревании, охлаждении, изменении давления) способно переходить из одного агрегатного состояния в другое.

агрегатное состояние, при котором вещество сохраняет как постоянный собственный объём, так и неизменную геометрическую форму.

• 1. Механическая неизменность — для изменения формы или объёма твёрдого тела необходимо приложить значительные внешние механические усилия (растяжение, сжатие, изгиб или сдвиг).
• 2. Практическая несжимаемость — твёрдые тела чрезвычайно трудно поддаются сжатию из-за мощных сил отталкивания молекул при уменьшении межмолекулярных зазоров.
• 3. Внутренняя стабильность — частицы твёрдых тел фиксированы в пространстве около узлов кристаллической решётки или в аморфных кластерах и не могут свободно перемещаться по всему телу.

агрегатное состояние, сохраняющее свой собственный объём, но легко изменяющее форму и принимающее форму того сосуда, в котором находится.

• 1. Текучесть — способность жидкого вещества легко перетекать и деформироваться под действием силы тяжести или внешнего давления, широко используемая в металлургии (литьё деталей) и стеклоделии (выдувание стеклянных изделий).
• 2. Сохранение объёма — объём жидкости строго постоянен при неизменной температуре независимо от формы резервуара (например, $0{,}5\text{ л}$ напитка сохранят свой объём и в узкой бутылке, и в широкой банке).
• 3. Естественная форма — в условиях компенсации или отсутствия силы тяжести (в невесомости или при микроразмерах капли, когда доминирует поверхностное натяжение) жидкость всегда принимает идеальную форму шара.

агрегатное состояние, не сохраняющее ни собственной формы, ни постоянного объёма и полностью занимающее весь предоставленный ему объём сосуда.

• 1. Сплошное заполнение — молекулы газа находятся на больших расстояниях друг от друга и слабо взаимодействуют, благодаря чему газ непрерывно расширяется, заполняя всё доступное пространство закрытого сосуда или помещения.
• 2. Высокая сжимаемость — в отличие от жидкостей и твёрдых тел, объём газа можно легко и многократно уменьшить даже незначительным сжатием (например, сжатием эластичного резинового мяча или поршня насоса).
• 3. Оптические свойства — чистые газы (включая чистый воздух и истинный водяной пар) полностью прозрачны и невидимы для человеческого глаза.

физические методы, наглядно доказывающие материальность и пространственное присутствие газовой среды:

• 1. Опыт с перевёрнутым стаканом — стакан, опускаемый вертикально вверх дном в сосуд с водой, остаётся внутри сухим и не заполняется водой, так как заключённый внутри него воздух оказывает сопротивление и вытесняет воду.
• 2. Опыт с воронкой под водой — при погружении воронки широким концом в воду и открытии верхнего клапана воздух вытесняется поступающей водой, поднимаясь на поверхность в виде крупных видимых пузырей.

Вещество в зависимости от температуры и внешнего давления может находиться в трёх основных агрегатных состояниях:

• Твёрдом (например, лёд, железо, гранит);
• Жидком (например, вода, ртуть, керосин);
• Газообразном (например, водяной пар, кислород, гелий).

(Примечание: при сверхвысоких температурах вещество способно переходить в четвёртое агрегатное состояние — плазму).

Свойства вещества в различных агрегатных состояниях:

• Твёрдые тела:
• Сохраняют постоянную собственную геометрическую форму;
• Сохраняют неизменный собственный объём;
• Практически несжимаемы и обладают высокой механической прочностью.
• Жидкости:
• Не имеют собственной устойчивой формы и легко принимают форму сосуда (обладают текучестью);
• Сохраняют постоянный собственный объём;
• Практически несжимаемы;
• В свободном взвешенном состоянии или в виде мелких капелек принимают форму сферы (шара).
• Газы:
• Не имеют собственной формы и собственного фиксированного объёма;
• Занимают целиком весь предоставленный им объём сосуда или резервуара;
• Легко сжимаются при приложении внешнего давления;
• В большинстве случаев прозрачны и невидимы.

Опыт на рисунке 32 проводится следующим образом:

• Ход эксперимента: воронку с перекрытым верхним отверстием погружают широкой частью вниз в прозрачный сосуд с водой. Вода не заходит внутрь воронки. Затем открывают верхнюю трубку (или слегка наклоняют воронку под водой) — из-под воронки сквозь слой воды начинают интенсивно подниматься крупные пузыри;
• Физическое доказательство: появление пузырей и последующее заполнение воронки водой доказывает, что пространство внутри «пустой» воронки не является пустотой, а заполнено материальным невидимым газом — воздухом. Этот газ занимает объём, препятствует проникновению воды, а при открытии выхода вытесняется водой наружу.

В условиях земной поверхности (при нормальной температуре около $20^\circ\text{C}$ и атмосферном давлении порядка $10^5\text{ Па}$):

а) Только в твёрдом состоянии: гранит, песок (кварц), алмаз, железо, медь, древесина, кирпич (для их плавления или испарения требуются тысячи градусов или специальные термодинамические условия);

б) Только в жидком состоянии: в повседневных естественных природных условиях ртуть, машинные масла, керосин, нефть чаще всего наблюдаются в жидком виде (хотя при экстремальном нагреве или заморозке они также меняют состояние);

в) Только в газообразном состоянии: кислород, азот, гелий, аргон, неон, метан в обычных природных условиях всегда остаются газами (их сжижение требует колоссального охлаждения до глубокого криогенного вакуума ниже $-180^\circ\text{C}$);

г) Во всех трёх агрегатных состояниях: вода — уникальное вещество, которое в естественной земной природе повсеместно и одновременно присутствует во всех трёх фазах: твёрдой (лёд, снег, иней), жидкой (вода водоёмов, капли дождя, роса) и газообразной (водяной пар в атмосфере);

д) Только в твёрдом и газообразном состоянии (минуя жидкую фазу при нормальном давлении — возгонка/сублимация): твёрдый углекислый газ («сухой лёд»), йод, нафталин при обычном давлении переходят из кристаллического твёрдого состояния сразу в газообразное.