Твёрдые тела, жидкости и газы

Лёд, вода в стакане и невидимый водяной пар кажутся очень разными, но во всех трёх случаях речь идёт об одном веществе — воде. Меняется не само химическое вещество, а его физическое состояние. На уроках окружающего мира чаще всего рассматривают три привычных состояния вещества: твёрдое, жидкое и газообразное.

Различие между ними связано с тем, как расположены и движутся мельчайшие частицы вещества. Эти частицы слишком малы, чтобы увидеть их обычным глазом, но модель частиц помогает объяснить знакомые явления: почему камень сохраняет форму, вода принимает форму чашки, а воздух заполняет доступное пространство.

Твёрдое состояние: форма сохраняется

Твёрдые тела обычно сохраняют и форму, и объём. Кубик льда остаётся кубиком, пока не растает или не будет расколот. Камень не принимает форму коробки, в которую его положили. Металлическая ложка сохраняет очертания при обычных условиях использования.

В твёрдом веществе частицы расположены близко друг к другу и связаны сильнее, чем в жидкости или газе. Они не стоят совершенно неподвижно: частицы совершают движения около своих положений. Но им трудно свободно перемещаться по всему объёму вещества, поэтому форма сохраняется.

Твёрдые тела бывают очень разными. Стекло хрупкое, резина упругая, сталь прочная, воск сравнительно мягкий. Слово «твёрдое» в названии состояния не означает, что любое такое тело обязательно жёсткое или очень прочное.

Жидкость: объём сохраняется, форма меняется

Жидкость течёт и принимает форму той части сосуда, которую занимает. Если перелить воду из чашки в бутылку, её форма изменится. При этом количество воды не меняется, а её объём при одинаковых условиях остаётся практически тем же.

Частицы жидкости расположены близко, но могут перемещаться относительно друг друга. Поэтому жидкость способна течь. У неё есть свободная поверхность: например, граница между водой в стакане и воздухом над ней.

Не все жидкости текут одинаково. Вода льётся легко, а мёд или густой сироп — медленнее. Способность жидкости сопротивляться течению называют вязкостью. Для начальной школы достаточно заметить: свойства разных жидкостей отличаются, хотя все они относятся к одному физическому состоянию.

Газ: заполняет доступный объём

Газ не имеет собственной постоянной формы и постоянного объёма в том смысле, как твёрдое тело или жидкость. Он распространяется и заполняет доступное пространство сосуда или помещения. Воздух в комнате распределён по всему её объёму, хотя мы обычно его не видим.

В газах частицы в среднем находятся значительно дальше друг от друга, чем в жидкостях и твёрдых веществах, и свободно движутся. Поэтому газ можно заметно сжимать. Именно с этим связана работа многих насосов, баллонов и пневматических устройств.

Воздух — не одно чистое вещество, а смесь газов. Это хороший пример того, что слова «газ» и «вещество» обозначают не одно и то же: газ — физическое состояние, а конкретное вещество может быть, например, кислородом, азотом или водяным паром.

Как одно состояние превращается в другое

Состояние вещества может меняться при изменении температуры или давления. В повседневной жизни чаще всего заметно влияние нагревания и охлаждения.

Плавление и замерзание

При нагревании твёрдое вещество может перейти в жидкое состояние. Такой переход называют плавлением. Знакомый пример — таяние льда. Обратный переход из жидкости в твёрдое состояние называют замерзанием или кристаллизацией.

Испарение и кипение

Жидкость может превращаться в газ. Испарение происходит с поверхности жидкости и возможно при разных температурах. Поэтому мокрая одежда высыхает и без кипения. Кипение — особый процесс парообразования, происходящий по всему объёму жидкости при определённых условиях.

Конденсация

Когда газообразное вещество переходит в жидкость, происходит конденсация. Капли на холодной поверхности часто появляются потому, что водяной пар из воздуха конденсируется. Это не обязательно «вода, прошедшая через стенку стакана»: она может образоваться из влаги, уже находившейся в воздухе.

Вода — удобный пример трёх состояний

В природе вода встречается во всех трёх привычных состояниях. Лёд и снег — твёрдая вода. Реки, озёра, дождевые капли и вода в почве — примеры жидкой воды. Водяной пар входит в состав атмосферы и невидим как отдельный газ.

Важно не путать водяной пар с белым «облачком» над горячей водой. Сам водяной пар невидим. Видимая белёсая дымка состоит в основном из мельчайших капелек жидкой воды, которые образовались при охлаждении и конденсации пара.

Переходы воды между состояниями участвуют в круговороте воды. Вода испаряется с поверхности океанов, водоёмов и почвы, а растения тоже возвращают часть воды в атмосферу. В атмосфере вода переносится, конденсируется, выпадает в виде осадков и снова перемещается по поверхности и под землёй.

Почему частицы вещества важны для объяснения свойств

Представление о частицах помогает связать несколько фактов. Если частицы твёрдого тела удерживаются рядом и не могут свободно менять места, тело сохраняет форму. Если частицы жидкости могут перемещаться друг относительно друга, жидкость течёт. Если частицы газа свободно движутся по доступному пространству, газ заполняет сосуд.

При нагревании движение частиц обычно становится интенсивнее. Это одна из причин, почему нагревание может приводить к расширению вещества или переходу в другое состояние. Однако разные вещества ведут себя по-разному, поэтому нельзя переносить один бытовой пример на все вещества без проверки.

Можно ли сжать твёрдое тело, жидкость и газ

Газы сжимаются значительно легче, чем жидкости и твёрдые тела. Это объясняется сравнительно большим расстоянием между частицами газа. В жидкостях и твёрдых веществах частицы уже расположены близко, поэтому заметно уменьшить объём намного труднее.

Простой пример — закрытый шприц без иглы. Если внутри только воздух, поршень можно осторожно сдвинуть, уменьшая объём газа. Если шприц заполнен водой и отверстие надёжно закрыто, сдвинуть поршень намного труднее. Такой опыт проводят только с безопасным учебным оборудованием и без иглы.

Почему шарик с воздухом меняет форму

Воздушный шарик хорошо показывает свойства газа. Воздух внутри давит на стенки во всех направлениях, а эластичная оболочка растягивается. Если выпустить часть воздуха, шарик уменьшается, потому что количество газа внутри становится меньше и оболочка сжимается.

При этом сам воздух остаётся смесью газов. Меняется его объём и давление, а не «исчезает вещество». Этот пример помогает понять, что невидимый газ остаётся материальным и занимает пространство.

Почему жидкость можно переливать

Жидкость не сохраняет собственную форму, поэтому её удобно перемещать по трубам и переливать из одного сосуда в другой. Это свойство используют в водопроводе, отопительных системах, медицине, пищевой промышленности и технике.

Но жидкости различаются по плотности, вязкости, способности смешиваться и другим признакам. Например, вода и растительное масло могут образовывать отдельные слои. Значит, принадлежность к одному состоянию не делает все вещества одинаковыми.

Есть ли состояния вещества кроме трёх привычных

Да. В природе и технике существуют и другие состояния вещества. Например, при очень высокой температуре может возникать плазма — состояние ионизированного газа, в котором есть заряженные частицы. Вещество Солнца и других звёзд в значительной степени находится в плазменном состоянии.

Однако для начального школьного курса обычно достаточно уверенно понимать свойства твёрдых тел, жидкостей и газов. Эти состояния легко наблюдать в повседневной жизни и на их примере удобно изучать превращения веществ.

Почему знания о состояниях вещества нужны в жизни

Понимание состояний вещества объясняет множество бытовых и природных явлений. Мы понимаем, почему зимой вода может замерзать, почему бельё высыхает, почему на холодном стекле появляются капли, как образуются облака и почему газ принимает форму сосуда.

Эти знания важны и в технике. Инженеры учитывают расширение материалов, движение жидкостей по трубам, давление газов и условия хранения разных веществ. Метеорологи наблюдают превращения воды в атмосфере, а специалисты по водным ресурсам изучают движение воды между океанами, сушей и воздухом.

Краткий план доклада

1. Какие три состояния вещества изучают в начальной школе.
2. Свойства твёрдых тел.
3. Как ведут себя жидкости.
4. Почему газы заполняют доступное пространство.
5. Плавление, замерзание, испарение и конденсация.
6. Вода как пример вещества в трёх состояниях.
7. Значение знаний о состояниях вещества.

Вывод

Твёрдое, жидкое и газообразное состояния отличаются расположением и движением частиц и поэтому имеют разные свойства. Твёрдые тела обычно сохраняют форму, жидкости текут и принимают форму сосуда, а газы распространяются по доступному объёму. Одно и то же вещество может переходить из одного состояния в другое, что особенно хорошо видно на примере воды.