чем отличаются твердые тела жидкие тела газообразные
Разница между газообразным состоянием вещества и твердым или жидким
Одним из агрегатных состояний, свойственных веществам, является газообразное. Оно обладает своими признаками, и речь дальше пойдет о том, чем отличается газообразное состояние вещества от твердого и жидкого.
Твердое и жидкое состояния
Перед тем как перейти непосредственно к газам, рассмотрим, чем характеризуются другие агрегатные состояния.
Твердое
В этом случае частицы вещества максимально сближены. Для них характерны колебательные движения, но не поступательные, поскольку силы притяжения при этом компенсируются силами отталкивания. Каждая из частиц в твердом теле имеет определенное место в пространстве, и наблюдается их упорядоченность на неограниченном расстоянии (дальний порядок). Все это обуславливает наличие у твердых тел формы и объема, а также крайне малую сжимаемость.
Жидкое
Такое состояние характеризуется некоторой взаимной отдаленностью молекул. Силы их притяжения уменьшаются, имеет место поступательное движение частиц, отличающееся хаотичностью. Упорядоченность частиц присутствует только на малых расстояниях (ближний порядок). Это проявляется в таких свойствах жидкостей, как меньшая, чем у твердых тел, плотность и отсутствие собственной формы (она зависит от формы предоставленной емкости). Однако жидкости имеют объем, практически не зависящий от давления.
Сравнение
Теперь перейдем к основному вопросу и рассмотрим отличие газообразного состояния вещества от твердого и жидкого.
Если для других состояний характерна определенная упорядоченность частиц, то газообразному свойственно их независимое друг от друга расположение и отсутствие дальнего или ближнего порядка. Расстояние между молекулами, образующими газ, наибольшее по сравнению с твердыми и жидкими телами. Они передвигаются максимально хаотично, взаимодействуя незначительно. Такое расположение частиц обеспечивает маленькую плотность газов и отсутствие у них собственной формы.
Еще одним признаком, указывающим на то, в чем разница между газообразным состоянием вещества и твердым или жидким, является способность газов заполнять все имеющееся пространство. Фиксированного объема у газов нет. Эта характеристика меняется при изменении давления. Газам присуща высокая сжимаемость.
§ 9.1. Чем отличаются твердые тела от жидких и газообразных
Однако в огромном числе практически важных случаев пренебрегать деформациями при исследовании движения тел нельзя. Движущиеся жидкости и газы, значительно деформируются. Это необходимо учитывать на практике. Приходится также учитывать деформации твердых тел <частей машин, механизмов, сооружении), так как от размеров деформаций зависят возникающие в этих телах силы.
Механика деформируемых тел — самый сложный раздел классической механики. Мы рассмотрим лишь наиболее простые вопросы этой темы. Но предварительно кратко познакомимся в самых общих чертах с механическими свойствами твердых, жидких и газообразных тел. Различие между ними с точки зрения механики состоит в неодинаковой способности к деформациям.
Твердые тела
Главное отличие твердых тел от жидкостей и газов состоит в том, что они сохраняют свою форму. Карандаш, стул, кузов автомобиля практически не изменяют своей формы, если только действующие на них силы не слишком велики. Это происходит потому, что при любой попытке их деформировать возникают силы упругости, препятствующие деформации. Если, к примеру, на твердое закрепленное на плоскости тело подействовать силой под углом к поверхности (рис. 9.1, а), то в нем возникают упругие силы, препятствующие изменению объема и формы. После снятия нагрузки восстановление формы сопровождается взаимным перемещением слоев тела. Это означает, что внутренние силы упругости при деформации тела имеют составляющие, направленные не только по нормали, но и по касательной к слоям тела (рис. 9.1, б), что и приводит к восстановлению его формы.
Напомним, что в главе 3 тела, которые восстанавливают свою форму после прекращения действия сил, вызвавших деформации, мы назвали упругими.
Тела, которые после прекращения действия внешних сил, вызвавших деформацию, не восстанавливают своей формы, называют пластичными. Соответственно и деформации тел называются упругими и пластическими или остаточными.
Одни и те же тела могут быть и упругими, и пластичными в зависимости от характера деформации. При очень больших деформациях стальная линейка не примет прежней формы. А при очень малых деформациях даже пластилин восстанавливает свою форму.
Жидкости
Если в прочную стальную оболочку заключить жидкость и сдавить ее поршнем (рис. 9.2), т. е. подвергнуть всестороннему сжатию, то деформация жидкости будет незначительной и упругой. После снятия нагрузки первоначальный объем жидкости восстанавливается (жидкость сохраняет свой объем). Эксперимент свидетельствует, что жидкости очень мало сжимаемы. Для увеличения плотности воды до 1,1 г/см 3 необходимо давление 8 • 10 5 атм. Эта практическая несжимаемость жидкостей находит применение в технике (гидравлические прессы, домкраты).
Собственной формы жидкость не имеет, она принимает форму сосуда, в котором находится. Хорошо известно, что жидкость текуча — ее можно переливать из одного сосуда в другой. Объясняется это тем, что в жидкости в отличие от твердых тел смещение слоев не приводит к появлению упругих касательных напряжений. Возникающая сила при скольжении слоев жидкости пропорциональна не величине деформации, а относительной скорости слоев. Это сила трения. Поэтому перемещение тела по поверхности жидкости может быть вызвано сколь угодно малой силой. Трение покоя в жидкостях (и газах) отсутствует.
Мы знаем, как трудно изменить объем твердого тела — сжать его или растянуть. Так же трудно изменить объем жидкости. Попробуйте сжать поршнем воздух в насосе. Это удается относительно легко. При снятии нагрузки восстанавливается первоначальный объем газа, т. е. деформация газа является упругой. Газ, как и жидкость, не передает касательных упругих напряжений, поэтому он не имеет своей формы, а принимает форму сосуда, в котором находится.
При сжатии воздуха в насосе (рис. 9.3, а) рука чувствует, что сжимаемый газ оказывает все большее сопротивление, как будто под поршнем находится сжатая пружина. По мере сжатия газа возрастает сила упругости (рис. 9.3, б).
Обратим внимание еще на одну особенность газа, резко отличающую его от твердых и жидких тел. Положим на тарелку воздушного насоса резиновый шарик с завязанным отверстием (рис. 9.4), содержащий самое незначительное количество воздуха. Будем выкачивать воздух из-под стеклянного колпака. Шарик при этом начнет раздуваться и тем сильнее, чем значительнее уменьшается давление воздуха под колпаком. В отличие от жидкостей газы не сохраняют постоянного объема и обладают способностью неограниченно расширяться. Газ всегда сжат. Как бы ни было мало количество газа, введенного в пустой сосуд, газ распределяется в нем по всему объему.
Большая сжимаемость газов и их неограниченная способность к расширению в отсутствие внешних сил являются характерными свойствами газов. Лишь сила тяготения удерживает атмосферу вблизи Земли. В межзвездном пространстве могут находиться гигантские газовые скопления — диффузные туманности, удерживаемые собственными силами гравитационного взаимодействия. Типичная газовая туманность находится, например, в созвездии Ориона.
Твердые тела сохраняют объем и форму; жидкие тела сохраняют объем; газы не сохраняют ни формы, ни объема.
§ 9.1. Чем отличаются твердые тела от жидких и газообразных
Однако в огромном числе практически важных случаев пренебрегать деформациями при исследовании движения тел нельзя. Движущиеся жидкости и газы, значительно деформируются. Это необходимо учитывать на практике. Приходится также учитывать деформации твердых тел <частей машин, механизмов, сооружении), так как от размеров деформаций зависят возникающие в этих телах силы.
Механика деформируемых тел — самый сложный раздел классической механики. Мы рассмотрим лишь наиболее простые вопросы этой темы. Но предварительно кратко познакомимся в самых общих чертах с механическими свойствами твердых, жидких и газообразных тел. Различие между ними с точки зрения механики состоит в неодинаковой способности к деформациям.
Твердые тела
Главное отличие твердых тел от жидкостей и газов состоит в том, что они сохраняют свою форму. Карандаш, стул, кузов автомобиля практически не изменяют своей формы, если только действующие на них силы не слишком велики. Это происходит потому, что при любой попытке их деформировать возникают силы упругости, препятствующие деформации. Если, к примеру, на твердое закрепленное на плоскости тело подействовать силой под углом к поверхности (рис. 9.1, а), то в нем возникают упругие силы, препятствующие изменению объема и формы. После снятия нагрузки восстановление формы сопровождается взаимным перемещением слоев тела. Это означает, что внутренние силы упругости при деформации тела имеют составляющие, направленные не только по нормали, но и по касательной к слоям тела (рис. 9.1, б), что и приводит к восстановлению его формы.
Напомним, что в главе 3 тела, которые восстанавливают свою форму после прекращения действия сил, вызвавших деформации, мы назвали упругими.
Тела, которые после прекращения действия внешних сил, вызвавших деформацию, не восстанавливают своей формы, называют пластичными. Соответственно и деформации тел называются упругими и пластическими или остаточными.
Одни и те же тела могут быть и упругими, и пластичными в зависимости от характера деформации. При очень больших деформациях стальная линейка не примет прежней формы. А при очень малых деформациях даже пластилин восстанавливает свою форму.
Жидкости
Если в прочную стальную оболочку заключить жидкость и сдавить ее поршнем (рис. 9.2), т. е. подвергнуть всестороннему сжатию, то деформация жидкости будет незначительной и упругой. После снятия нагрузки первоначальный объем жидкости восстанавливается (жидкость сохраняет свой объем). Эксперимент свидетельствует, что жидкости очень мало сжимаемы. Для увеличения плотности воды до 1,1 г/см 3 необходимо давление 8 • 10 5 атм. Эта практическая несжимаемость жидкостей находит применение в технике (гидравлические прессы, домкраты).
Собственной формы жидкость не имеет, она принимает форму сосуда, в котором находится. Хорошо известно, что жидкость текуча — ее можно переливать из одного сосуда в другой. Объясняется это тем, что в жидкости в отличие от твердых тел смещение слоев не приводит к появлению упругих касательных напряжений. Возникающая сила при скольжении слоев жидкости пропорциональна не величине деформации, а относительной скорости слоев. Это сила трения. Поэтому перемещение тела по поверхности жидкости может быть вызвано сколь угодно малой силой. Трение покоя в жидкостях (и газах) отсутствует.
Мы знаем, как трудно изменить объем твердого тела — сжать его или растянуть. Так же трудно изменить объем жидкости. Попробуйте сжать поршнем воздух в насосе. Это удается относительно легко. При снятии нагрузки восстанавливается первоначальный объем газа, т. е. деформация газа является упругой. Газ, как и жидкость, не передает касательных упругих напряжений, поэтому он не имеет своей формы, а принимает форму сосуда, в котором находится.
При сжатии воздуха в насосе (рис. 9.3, а) рука чувствует, что сжимаемый газ оказывает все большее сопротивление, как будто под поршнем находится сжатая пружина. По мере сжатия газа возрастает сила упругости (рис. 9.3, б).
Обратим внимание еще на одну особенность газа, резко отличающую его от твердых и жидких тел. Положим на тарелку воздушного насоса резиновый шарик с завязанным отверстием (рис. 9.4), содержащий самое незначительное количество воздуха. Будем выкачивать воздух из-под стеклянного колпака. Шарик при этом начнет раздуваться и тем сильнее, чем значительнее уменьшается давление воздуха под колпаком. В отличие от жидкостей газы не сохраняют постоянного объема и обладают способностью неограниченно расширяться. Газ всегда сжат. Как бы ни было мало количество газа, введенного в пустой сосуд, газ распределяется в нем по всему объему.
Большая сжимаемость газов и их неограниченная способность к расширению в отсутствие внешних сил являются характерными свойствами газов. Лишь сила тяготения удерживает атмосферу вблизи Земли. В межзвездном пространстве могут находиться гигантские газовые скопления — диффузные туманности, удерживаемые собственными силами гравитационного взаимодействия. Типичная газовая туманность находится, например, в созвездии Ориона.
Твердые тела сохраняют объем и форму; жидкие тела сохраняют объем; газы не сохраняют ни формы, ни объема.
Урок окружающего мира: «Твердые, жидкие и газообразные тела»
Твердые тела, жидкости и газы 1 класс
Цель: Познакомить детей с важнейшей характеристикой физических тел – агрегатным состоянием.
Задачи:
Обучающие: учить выделять признаки окружающих предметов и обнаруживать их взаимосвязи.
Развивающие: развивать творческие способности учащихся; умение ориентироваться в полученных знаниях, использовать их в жизни.
Воспитательные: воспитывать интерес к предмету, бережное отношение к окружающим предметам.
Оборудование:
Демонстрационное: компьютер, проектор, экран, 4 стакана, вода, брусок, таз с водой, салфетка, духи
Раздаточное: 3 стакана на каждую парту, вода, деревянные бруски, целлофановые пакеты
Ход урока
На столе учащихся и учителя материалы для опытов (3 стакана, один из которых с водой, другой пустой, 3-с деревянным бруском, пакеты целлофановые).
— Ребята, сегодня к нам на урок пришли гости, давайте поприветствуем их. Теперь посмотрите друг на друга, улыбнитесь. Вижу, вы к уроку готовы. Тихо садитесь.
— Эти правила у нас вынесены и на доску, чтобы вы могли при необходимости их вспомнить.
— Готовы начать работу?
У вас на столах по три стакана. Что в первом стакане? (вода).
Что во 2 стакане? (деревянный брусок).
Что в третьем стакане? (ответы детей)
Возьмите пакеты и зажмите их рукой у горлышка. Что вы видите? (пакет надулся). Что в пакете? (выполняю задание вместе с детьми)
Через нос проходит в грудь
И обратный держит путь.
Он невидимый, и все же
Без него мы жить не можем. (воздух)
— А что в стакане? Как проверить? (опыт проделывает подготовленный ребенок: подходит к столу учителя, где стоит тазик с водой. Как вы думаете, намокнет ли салфетка, прикрепленная ко дну стакана, если стакан опустить в воду к верху дном? Опускает. Почему салфетка осталась сухой? (воздух не дал намочить салфетку)
— А для чего нам нужен воздух?
— Нас окружают различные предметы, по другому их называют физические тела. Можно ли воздух назвать телом? Какие еще бывают тела?
Как вы думаете, они все одинаковые? Чем они отличаются?
Дети перечисляют признаки предметов (размер, форму, цвет, материал).
— Чем отличаются предметы в ваших стаканчиках?
Приходят к выводу, что вода жидкая, брусок – твердый, воздух – при помощи учителя, это газ.
Оказывается, все предметы можно еще разделить на три большие группы:
На слайде и доске надписи:
Твердые тела Жидкости Газы
— Учитель обращает внимание на слова на доске. Заполняется таблица.
— Давайте попробуем определить к какой группе относятся следующие тела. На доске вы видите названия этих тел. Попробуйте догадаться, вода какое тело? Брусок. (по ходу объяснения вызываю по одному ребенку, который ставит слово в нужный столбик)
— Как вы думаете, о чем мы будем говорить на уроке?
— Действительно, сегодня мы с вами познакомимся с неживыми физическими телами, которые отличаются своими состояниями, бывают твердыми, жидкими и газообразными. Ну и, конечно, проделаем ряд опытов, которые покажут нам, чем же особенны эти состояния веществ.
— Давайте попробуем вместе выяснить, чем же отличаются тела, которые находятся в различных состояниях: твердом, жидком и газообразном.
1 свойство (опыт): Пробуем сжать брусок – не сжимается. Учитель при помощи шприца пробует сжать воду – не сжимается, а газ сжимается. Дает попробовать детям.
Вывод: Твердые тела и жидкости не сжимаются, а газ – сжимается.
2 свойство (опыт): Разделить все вещества и материалы на 2 группы: сохраняющие форму и не сохраняющие форму.
— Учитель переливает воду из одного сосуда в другой.
— Какую форму приобретает жидкость при переливании из одного сосуда в другой? (жидкость сохраняет форму сосуда)
— Переложите брусок из одного стакана в другой. Изменил ли он форму? (нет, это твердое тело)
— Мы говорили о твердых телах, жидкостях. А еще о каких телах нам нужно поговорить? (о газах)
— Сейчас вы ляжете все на парту и закроете глаза, когда я вам предложу проснуться, вы сможете поднять головы.
Пока дети лежат, я разбрызгиваю духи.
— Просыпайтесь, поднимайте головы. Вы ничего не чувствуете? Все почувствовали? А на задних партах?
— Почему, ведь я разбрызгивала у доски?
Вывод: Оказывается, газы занимают все помещение, где они находятся.
На слайдах появляется интерактивная модель, изображающий молекулярное строение тел: твердых, жидких и газообразных.
— Ребята, почему же все так происходит? Почему твердые тела не могут течь, жидкие не могут сохранять определенную форму, а газы занимают весь объем помещения?
— Оказывается, все тела состоят из очень маленьких частиц, которые называются молекулы. Но в каждом теле молекулы располагаются по-разному. (слайд) Например, в твердом теле каждая молекула движется около определенной точки . В жидкостях молекулы не так крепко соединены и дают возможность перемещаться из одного положения в другое. А в газах, молекулы и вовсе не соединены друг с другом, поэтому легко разлетаются в разные стороны.
Твёрдые тела, жидкости и газы
Большинство веществ могут существовать в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. Они называются агрегатными состояниями вещества. Переход из одного состояния в другое происходит при нагревании или охлаждении, а также при изменении давления. Например, если воду — жидкость — подогревать, она будет превращаться в пар — газ. Теория, объясняющая свойства твердого, жидкого и газообразного состояний, называется кинетической теорией. Она основывается на представлении о том, что все вещества состоят из движущихся частиц.
Кинетическая теория
В науке многие гипотезы пока не доказаны, но считаются истинными, так как объясняют наблюдаемые явления. Кинетическая теория объясняет свойства твердых, жидких и газообразных тел, исходя из энергии частиц, из которых они состоят. Частицы твёрдого тела обладают наименьшей энергией, связаны друг с другом силой притяжения и не могут освободиться. Они только колеблются около постоянного центра. При нагревании энергия частиц твёрдого тела увеличивается. Теперь они могут освободиться от притяжения соседей. При этом твёрдое тело плавиться и превращается в жидкость. У частиц газа энергии ещё больше. Они находятся на большом расстоянии друг от друга и целиком заполняют предоставленный им объём. Нагревание увеличивает энергию частиц и позволяет им двигаться быстрее, и тело переходит из одного состояния в другое.
Броуновское движение
Движение молекул жидкостей и газов называют броуновским движением. В 1927 году английский биолог Роберт Броун заметил, что помешенные в жидкость частицы пыльцы растении начинают беспорядочно двигаться. Зигзагообразные движения частиц пыльцы в воде легко увидеть под микроскопом. Однако объяснить, почему это происходит Броун не мог. В XX веке Альберт Эйнштейн, уроженец Германии, объяснил, что частицы, помешенные в жидкость или газ, движутся благодаря ударам также движущихся, но невидимых молекул.
Изменение состояния
Когда твердое тело нагревается, его температура повышается, а энергия частиц растет. Наконец наступаем точка плавления. В этот момент частицы обретают достаточно энергии, чтобы разорвать силы притяжения, и твердое тело плавится. Дальнейшее нагревание приводит к тому, что жидкость достигает точки кипения, частицы ее окончательно освобождаются друг от друга, и жидкость превращается в газ. Пламя свечи нагревает воск, и он тает, но застывает вновь, стекая от пламени. Гейзеры выбрасывают на поверхность кипящую воду и пар, разогретые вулканическими процессами в земной коре. Когда вещество остывает, происходит обратный процесс. Когда температура газа падает до точки кипения, газ конденсируется и становится жидкостью. Охладившись до точки плавления, жидкость твердеет (замерзает) и превращается в твердое тело. Есть вещества, например углекислый газ, переходящие из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкое. Такое явление называется возгонкой. Когда вулканические процессы разогревают подземную воду до кипения, появляются гейзеры. Вода превращается в пар, давление возрастает, и кипящая вода и пар устремляются по трещинам вверх и вырываются на поверхность.
Разные вещества изменяют агрегатное состояние при разных температурах, поэтому они подразделяются на твердые, жидкие и газообразные в соответствии с их состоянием при комнатной температуре 20 градусов. Температура плавления или кипения вещества изменится, если добавить в него какие-либо примеси или изменить давление. Давление земной атмосферы мы называем атмосферным давлением. Обычное давление уровне моря называется давлением в одну атмосферу. На вершине горы Эверест (8848 метров над уровнем моря) давление меньше одной атмосферы, и чистая вода закипает там при 71 градусе, а не при 100 градусах, как на уровне моря. Чем выше мы поднимаемся, тем ниже атмосферное давление и тем легче частичкам жидкости разорвать свои связи, то есть тем ниже точка кипения. Ученые считают, что на Марсе воды нет потому, что атмосферное давление там ничтожно, поэтому вода там немедленно закипает и испаряется.
Поверхностное натяжение
Молекулы поверхностного слоя жидкости прочно связаны друге другом, что приводит к поверхностному натяжению. Упрощенно можно считать, что на поверхности жидкости существует своего рода «плёнка». Поверхностное натяжение стягивает молекулы вместе. Так образуются капли. Расстояния между молекулами поверхностного слоя больше, чем между молекулами в глубине жидкости, и от этого они ещё сильней притягиваются друг к другу. Сила поверхностного натяжения достаточно велика, чтобы удерживать на поверхности воды легкие объекты – пылинки и даже насекомых. Водомерки могут спокойно разгуливать по воде, так как их веса недостаточно, чтобы прорвать «плёнку» на её поверхности.
Испарение
Некоторые молекулы поверхностного слоя обладают большей энергией, чем другие, и отрываются от поверхности, т.е. испаряются. Жидкость испаряется постоянно, даже когда она не подогревается. При испарении температура жидкости падает, так как средняя энергия её молекул понижается. Когда человек потеет, выступившие на его коже капельки воды испаряются, и кожа охлаждается.
Газ — это вещество, не имеющее определенного объёма и формы. Согласно кинетической теории, энергии молекул газа достаточно, чтобы разорвать связывающие их силы, они разлетаются и заполняют весь предоставленный им объем. Этот процесс называем диффузией. Воздушный шарик надувается по мере того, как его наполняет газ. Через пятнадцать минут воздух и бром перемешаются, так как их молекулы распределяются по обеим банкам (см. рис.). Запахи (ароматы цветов) – это тоже газы, распространяющиеся в воздухе с помощью диффузии. Давление газа зависит от того, насколько интенсивно его молекулы ударяются о стенки сосуда. Если (при неизменной температуре) уменьшить объем газа, скажем, уменьшив объем сосуда, то его давление возрастет, поскольку молекулы газа будут чаще ударять по стенкам. Давление также возрастет, если в сосуд накачать новую порцию газа. При нагревании молекулы газа начинают двигаться быстрее и на большее расстояние, т.к. газ расширяется и становится менее плотным. Если нагреваемый газ не имеет возможности расширяться, его давление возрастает.
Объём, масса и плотность
Объем — это количество пространства, занятого жидкостью иди твердым телом. Его измеряют в кубических метрах. Объем прямоугольного тела равен произведению его длины, ширины и высоты. Для определения объема жидкости ее можно налить в измерительный цилиндр. Чтобы определить объём тела неправильной формы, нужно определить какой объём жидкости оно вытесняет.
Масса твердого, жидкого или газообразного тела показывает, сколько в нем содержится вещества. Масса измеряется в килограммах. Следует различать массу и вес – величину силы тяготения, действующую на тело. На одну чащу весов помещается взвешиваемое тело, на другую — тело известной массы (см. рис.). Плотность показывает, насколько «плотно упакованы» частицы, составляющие вещество. К примеру, молекулы металла расположены ближе друг к другу, чем молекулы пробки или бумаги. Следовательно, плотность металла выше. Плотность рассчитывается путем деления массы тела на его объем и измеряется в килограммах на кубический метр (кг/м 3 ). Гидрометр — прибор для измерения плотности жидкости. В плотной жидкости он плавает вблизи поверхности, так как его вес может вытеснить лишь, небольшой объем жидкости.