Страница 42 - гдз по физике 7 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. Почему одно и то же вещество может находиться в разных агрегатных состояниях?

Почему одно и то же вещество может находиться в разных агрегатных состояниях?

Агрегатное состояние вещества — твёрдое, жидкое или газообразное — определяется балансом между двумя основными факторами: кинетической энергией движения его частиц (молекул или атомов) и потенциальной энергией их взаимного притяжения.

• Кинетическая энергия ($E_k$) частиц напрямую связана с температурой вещества. Чем выше температура, тем быстрее движутся частицы и тем больше их кинетическая энергия. Это энергия движения, которая стремится "разбросать" частицы.
• Потенциальная энергия ($E_p$) взаимодействия определяется силами притяжения между частицами. Эти силы стремятся удержать частицы вместе, упорядочить их структуру.

Соотношение этих энергий определяет состояние вещества:

• Твёрдое состояние: Потенциальная энергия притяжения значительно преобладает над кинетической энергией ($E_p >> E_k$). Частицы сильно связаны друг с другом и образуют упорядоченную структуру (кристаллическую решётку). Они не могут свободно перемещаться, а лишь совершают колебания около своих фиксированных положений. Поэтому твёрдые тела имеют постоянную форму и объём.
• Жидкое состояние: Кинетическая и потенциальная энергии примерно равны ($E_k \approx E_p$). Энергии движения частиц уже достаточно, чтобы преодолевать жёсткую связь и перемещаться друг относительно друга, но недостаточно, чтобы полностью разорвать силы притяжения. Поэтому жидкости текучи (не имеют своей формы), но сохраняют свой объём.
• Газообразное состояние: Кинетическая энергия значительно превосходит потенциальную ($E_k >> E_p$). Частицы движутся очень быстро и хаотично, силы притяжения между ними пренебрежимо малы. Газ не имеет ни собственной формы, ни объёма и стремится занять всё доступное пространство.

Таким образом, изменяя внешние условия (главным образом температуру и давление), можно изменить соотношение между кинетической и потенциальной энергией частиц, вызывая тем самым фазовые переходы: плавление, кипение, конденсацию и кристаллизацию.

Ответ: Одно и то же вещество может существовать в разных агрегатных состояниях, так как его состояние зависит от внешних условий, в первую очередь от температуры. Температура определяет кинетическую энергию частиц, и баланс между этой энергией и силами межмолекулярного притяжения диктует, будет ли вещество твёрдым, жидким или газообразным.

2. Как движутся молекулы в газах, жидкостях и твердых телах?

Характер теплового движения молекул принципиально различен для каждого агрегатного состояния.

• В газах: Движение молекул полностью хаотичное (беспорядочное). Они движутся с большими скоростями (сотни метров в секунду) по прямым линиям до тех пор, пока не столкнутся друг с другом или со стенкой сосуда. Расстояния между молекулами очень велики по сравнению с их размерами, поэтому силы взаимодействия между ними практически отсутствуют.
• В жидкостях: Молекулы расположены близко друг к другу. Их движение носит колебательно-поступательный характер. Каждая молекула в течение некоторого времени колеблется около определенного положения равновесия, а затем совершает "скачок" в соседнее свободное место. Эти "скачки" происходят непрерывно и во всех направлениях, что и обеспечивает текучесть жидкости.
• В твердых телах (кристаллических): Частицы (атомы, ионы) расположены в строгом порядке, образуя кристаллическую решётку. Они не могут покидать свои места. Всё их движение сводится к непрерывным колебаниям около фиксированных положений — узлов кристаллической решётки. С повышением температуры амплитуда этих колебаний возрастает.

Ответ: В газах молекулы движутся хаотично и поступательно на больших расстояниях друг от друга. В жидкостях — колеблются и "перескакивают" с места на место, оставаясь в тесном контакте. В твердых телах — только колеблются около фиксированных положений в кристаллической решётке.

2. Как движутся молекулы в газах, жидкостях и твёрдых телах?

Отличие одного и того же вещества в разных агрегатных состояниях (твёрдом, жидком, газообразном) заключается не в самих молекулах (они остаются неизменными), а в трёх ключевых аспектах: расположении молекул, характере их движения и силах взаимодействия между ними.

В твёрдых телах:

- Частицы (атомы, ионы или молекулы) расположены в строго определённом порядке, образуя кристаллическую решётку. Расстояния между частицами малы и сравнимы с их размерами.

- Движение частиц ограничено колебаниями около своих фиксированных положений в узлах решётки.

- Силы межмолекулярного взаимодействия очень велики, что обеспечивает сохранение формы и объёма тела.

В жидкостях:

- Частицы расположены близко друг к другу, но не имеют строгого порядка (ближний порядок). Расстояния между ними лишь ненамного больше, чем в твёрдых телах.

- Частицы колеблются около временных положений равновесия и могут "перескакивать" с места на место. Это сочетание колебательного и поступательного движения обеспечивает текучесть.

- Силы взаимодействия всё ещё значительны и удерживают частицы вместе, позволяя жидкости сохранять объём, но не форму.

В газах:

- Частицы находятся на больших расстояниях друг от друга, которые многократно превышают их собственные размеры. Порядка в расположении нет.

- Частицы движутся хаотично, с большими скоростями, по прямым линиям до столкновения друг с другом или со стенками сосуда.

- Силы взаимодействия очень малы и практически не влияют на их движение, поэтому газ не сохраняет ни форму, ни объём, а занимает всё предоставленное ему пространство.

Ответ: Молекулы одного и того же вещества во всех агрегатных состояниях одинаковы. Различие заключается в характере расположения, движения и взаимодействия молекул.

2. Характер движения молекул принципиально различается в зависимости от агрегатного состояния вещества.

Движение молекул в газах: Молекулы движутся совершенно беспорядочно (хаотично) по всему объёму, который им предоставлен. Они летят с огромными скоростями по прямолинейным траекториям, которые прерываются только при столкновениях молекул друг с другом или со стенками сосуда. Из-за этого траектория каждой молекулы представляет собой сложную ломаную линию.

Движение молекул в жидкостях: Движение молекул носит "оседло-скачкообразный" характер. Большую часть времени молекула колеблется около своего временного положения равновесия, как в твёрдом теле. Однако время от времени она совершает "скачок" в соседнее свободное место. Именно эти скачки и обеспечивают способность жидкости течь.

Движение молекул в твёрдых телах: В кристаллических твёрдых телах атомы или молекулы не могут свободно перемещаться. Они совершают непрерывные колебательные движения около строго определённых положений — узлов кристаллической решётки. Поступательное движение молекул отсутствует.

Ответ: В газах молекулы движутся хаотично и поступательно, заполняя весь объём; в жидкостях они колеблются и периодически "перескакивают" на новые места, обеспечивая текучесть; в твёрдых телах молекулы только колеблются около своих фиксированных положений.

3. Свойства жидкостей и газов имеют как общие черты (сходства), так и существенные различия.

Сходство:

- Текучесть. И жидкости, и газы могут течь. Это свойство обусловлено подвижностью их молекул, которые не связаны жёстко друг с другом.

- Отсутствие собственной формы. И жидкости, и газы не имеют постоянной формы и принимают форму сосуда, в который их помещают.

- Неупорядоченная структура. В отличие от кристаллических твёрдых тел, расположение молекул в жидкостях и газах является хаотичным.

Различие:

- Объём. Жидкость имеет определённый собственный объём и образует свободную поверхность. Газ не имеет собственного объёма и стремится занять весь предоставленный ему объём.

- Сжимаемость. Газы легко сжимаются, так как между их молекулами большие расстояния. Жидкости сжать очень трудно (они практически несжимаемы), поскольку их молекулы уже находятся в плотной упаковке.

- Плотность. Плотность жидкости обычно в сотни и тысячи раз больше плотности газа при нормальных условиях.

- Силы взаимодействия. В жидкостях межмолекулярные силы достаточно сильны, чтобы удерживать молекулы вместе и сохранять объём. В газах эти силы очень слабы и проявляются лишь на короткое время при столкновениях.

Ответ: Сходство жидкостей и газов заключается в их текучести и отсутствии собственной формы. Основное различие состоит в том, что жидкость сохраняет свой объём и практически несжимаема, а газ занимает весь доступный объём и легко сжимается.

3. В чём состоит сходство и различие свойств жидкостей и газов? Объяснение дайте на основе представлений о молекулярном строении вещества.

В чём состоит сходство и различие свойств жидкостей и газов? Объяснение дайте на основе представлений о молекулярном строении вещества.

Сходства и различия свойств жидкостей и газов объясняются особенностями их молекулярного строения, а именно характером движения молекул и силами взаимодействия между ними.

Сходство:

Главное сходство жидкостей и газов заключается в том, что они текучи, то есть не имеют собственной формы и принимают форму сосуда, в который их помещают. Это обусловлено тем, что молекулы и в жидкостях, и в газах могут свободно перемещаться друг относительно друга, в отличие от твердых тел, где частицы зафиксированы. И в жидкостях, и в газах наблюдается явление диффузии, подтверждающее хаотичное движение их молекул.

Различие:

1. Объем: Жидкости сохраняют свой объем, в то время как газы занимают весь предоставленный им объем. Молекулы в жидкости находятся близко друг к другу, и силы притяжения между ними достаточно сильны, чтобы удержать их вместе, не давая разлететься. В газах же молекулы находятся на больших расстояниях, и силы притяжения между ними очень малы, поэтому газ расширяется, пока не заполнит весь сосуд.

2. Сжимаемость: Газы легко сжимаемы, так как между их молекулами большие промежутки. При сжатии эти промежутки уменьшаются. Жидкости практически не сжимаемы, поскольку их молекулы уже упакованы почти вплотную.

3. Характер движения молекул: В газах молекулы движутся хаотично и прямолинейно на больших скоростях, почти не взаимодействуя, до столкновения друг с другом или со стенками сосуда. В жидкостях молекулы колеблются около временных положений равновесия и периодически совершают "перескоки" в соседние свободные места, постоянно находясь в поле действия соседних молекул.

Ответ: Сходство жидкостей и газов в их текучести, что объясняется подвижностью их молекул. Различие состоит в том, что жидкости сохраняют объем и почти не сжимаемы из-за сильного межмолекулярного притяжения и плотной упаковки молекул, в то время как газы занимают весь доступный объем и легко сжимаемы из-за слабых сил притяжения и больших расстояний между молекулами.

4. Объясните свойства твёрдых тел с помощью представлений о молекулярном строении вещества.

Основные свойства твердых тел, такие как сохранение формы и объема, прочность и малая сжимаемость, объясняются особенностями их внутреннего строения на молекулярном уровне.

1. Расположение частиц: Частицы (атомы, ионы или молекулы) в твердых телах, особенно в кристаллических, расположены в строго определенном порядке, образуя структуру, называемую кристаллической решеткой. Они находятся очень близко друг к другу.

2. Силы взаимодействия: Между частицами в твердом теле действуют очень сильные силы притяжения и отталкивания. Эти силы удерживают частицы в определенных положениях (узлах кристаллической решетки) и не позволяют им покидать эти положения.

3. Характер движения частиц: Из-за сильного взаимного притяжения частицы в твердых телах не могут перемещаться по всему объему тела. Их движение сводится к непрерывным колебаниям около своих положений равновесия. При повышении температуры амплитуда этих колебаний увеличивается, что приводит к тепловому расширению тела.

Таким образом, именно сильное взаимодействие и упорядоченное расположение частиц, которые могут лишь совершать колебательные движения, обусловливают способность твердых тел сохранять постоянную форму и объем. Попытка изменить форму (деформировать) или объем (сжать) твердого тела встречает сильное сопротивление со стороны межмолекулярных сил, что и определяет его прочность и низкую сжимаемость.

Ответ: Свойства твердых тел (сохранение формы и объема, прочность) объясняются тем, что их частицы расположены в упорядоченной структуре (кристаллической решетке), связаны сильными силами взаимодействия и могут совершать лишь колебательные движения около фиксированных положений равновесия.

4. Объясните свойства твёрдых тел с позиций молекулярного строения вещества.

Свойства твёрдых тел, такие как сохранение формы и объёма, а также их прочность, объясняются с позиций молекулярно-кинетической теории, которая описывает расположение, взаимодействие и характер движения частиц вещества (атомов, молекул или ионов).

Основные положения, объясняющие свойства твёрдых тел:

• Расположение частиц. В твёрдых телах частицы упакованы очень плотно. Расстояния между ними сравнимы с размерами самих частиц. В большинстве случаев (в кристаллических телах) частицы образуют упорядоченную пространственную структуру — кристаллическую решётку. Каждая частица занимает в этой решётке строго определённое положение (узел). Именно эта плотная и упорядоченная структура является причиной того, что твёрдые тела сохраняют свою форму и объём.
• Взаимодействие частиц. Между частицами в твёрдом теле действуют очень сильные силы взаимного притяжения. Эти силы удерживают частицы на близких расстояниях друг от друга и не позволяют им покидать свои места в кристаллической решётке. Благодаря этому твёрдое тело сохраняет свою целостность и форму. При попытке сжать твёрдое тело между частицами возникают мощные силы отталкивания, которые препятствуют их сближению. Это объясняет высокую прочность и низкую сжимаемость твёрдых тел.
• Движение частиц. Частицы в твёрдых телах не являются неподвижными. Они находятся в состоянии непрерывного теплового движения. Однако, в отличие от жидкостей и газов, их движение ограничено лишь небольшими колебаниями около своих положений равновесия в узлах кристаллической решётки. Частицы не могут свободно перемещаться по всему объёму тела. Этот колебательный характер движения является ключевым фактором, почему твёрдые тела не текучи и сохраняют форму.

Ответ: Свойства твёрдых тел (сохранение формы и объёма, прочность, низкая сжимаемость) объясняются тем, что их частицы расположены очень близко друг к другу в упорядоченной структуре (кристаллической решётке), между ними действуют сильные силы взаимного притяжения и отталкивания, а их движение ограничено колебаниями около фиксированных положений равновесия. Совокупность этих факторов не позволяет частицам свободно перемещаться, что и определяет макроскопические свойства твёрдых тел.

В переводе с латинского aggrego означает «присоединяю, связываю». Подумайте, как связан данный перевод с физическим понятием «агрегатное состояние вещества».

Найти: Связь между переводом латинского слова aggrego и физическим понятием «агрегатное состояние вещества».

Решение

Латинское слово aggrego, которое переводится как «присоединяю, связываю», напрямую связано с физическим понятием «агрегатное состояние вещества». Этот термин описывает различные физические состояния, в которых может находиться вещество (твёрдое, жидкое, газообразное), и эти состояния определяются именно тем, как «соединены» или «связаны» между собой частицы (атомы, молекулы), из которых состоит вещество.

Агрегатное состояние — это, по сути, характеристика способа «сбора» или «агрегации» частиц. Взаимосвязь можно проследить на примерах разных состояний:

1. В твёрдом состоянии частицы вещества наиболее сильно «связаны» друг с другом силами межмолекулярного взаимодействия. Они образуют упорядоченную структуру (кристаллическую решётку) и могут лишь совершать колебательные движения около своих фиксированных положений. Это соответствует наиболее прочному «присоединению» частиц.

2. В жидком состоянии частицы также «связаны», но значительно слабее, чем в твёрдых телах. Эта связь позволяет частицам перемещаться относительно друг друга, благодаря чему жидкости обладают текучестью. Частицы по-прежнему образуют единый «агрегат», но уже не такой жёсткий.

3. В газообразном состоянии силы взаимодействия между частицами очень малы, и можно считать, что они практически не «связаны» друг с другом. Частицы движутся хаотично и свободно, занимая весь доступный объём. Это состояние с наименьшей степенью «агрегации» или «связанности».

Таким образом, латинское слово aggrego идеально отражает физическую суть термина «агрегатное состояние», так как оно описывает различные степени «объединения», «сбора» или «связывания» частиц вещества.

Ответ: Латинское слово aggrego («присоединяю, связываю») напрямую отражает суть понятия «агрегатное состояние вещества», поскольку разные агрегатные состояния (твёрдое, жидкое, газообразное) отличаются именно тем, насколько сильно и каким образом частицы вещества (атомы и молекулы) «присоединены» или «связаны» друг с другом.

1. На чувствительных весах уравновесили два одинаковых стакана. Стаканы заполнили до краёв водой: один — горячей, а другой — холодной. Равновесие весов нарушилось. Объясните почему.

1. Решение:

Изначально на весах были уравновешены два одинаковых стакана, что означает, что их массы равны. Когда стаканы заполнили до краёв водой, объемы налитой воды в них стали одинаковыми, так как стаканы идентичны. Обозначим объем воды как $V$.

Масса на каждой чаше весов складывается из массы самого стакана ($m_{стакана}$) и массы воды ($m_{воды}$).

Масса воды вычисляется по формуле: $m_{воды} = \rho \cdot V$, где $\rho$ — плотность воды.

Ключевым фактором в этой задаче является зависимость плотности воды от её температуры. При нагревании тела обычно расширяются, то есть их объем увеличивается при той же массе. Это означает, что их плотность уменьшается. Таким образом, плотность горячей воды ($\rho_{горячей}$) меньше плотности холодной воды ($\rho_{холодной}$), если температура холодной воды выше 4°C (при этой температуре плотность воды максимальна).

Поскольку объемы воды в стаканах одинаковы ($V$), а плотности разные ($\rho_{горячей} < \rho_{холодной}$), то и массы воды будут разными. Масса горячей воды будет меньше массы холодной воды:

$m_{горячей} = \rho_{горячей} \cdot V$

$m_{холодной} = \rho_{холодной} \cdot V$

Так как $\rho_{горячей} < \rho_{холодной}$, то $m_{горячей} < m_{холодной}$.

В результате общая масса стакана с горячей водой ($m_{стакана} + m_{горячей}$) окажется меньше общей массы стакана с холодной водой ($m_{стакана} + m_{холодной}$). Это и приводит к нарушению равновесия весов: чаша со стаканом холодной воды опустится, так как она тяжелее.

Ответ: Равновесие весов нарушилось, потому что при одинаковом объеме масса холодной воды больше массы горячей воды. Это связано с тем, что плотность воды уменьшается при нагревании. Следовательно, стакан с холодной водой стал тяжелее стакана с горячей водой.

2*¹. Что будет происходить с газом, если его постоянно охлаждать? Объясните своё предположение с позиций молекулярного строения вещества.

Решение

Процесс постоянного охлаждения газа приводит к последовательному изменению его агрегатного состояния: сначала газ превращается в жидкость, а затем жидкость — в твёрдое тело. Это объясняется с позиций молекулярного строения вещества.

В газообразном состоянии молекулы вещества обладают большой кинетической энергией. Они движутся хаотично, с большими скоростями и на значительных расстояниях друг от друга, которые намного превышают размеры самих молекул. Из-за этого силы межмолекулярного притяжения очень малы и не способны удержать молекулы вместе.

Охлаждение означает отвод теплоты от газа. Согласно молекулярно-кинетической теории, температура вещества является мерой средней кинетической энергии его частиц. Следовательно, при охлаждении средняя кинетическая энергия молекул газа уменьшается, и они начинают двигаться медленнее. Когда скорость молекул падает, они сближаются, и силы межмолекулярного притяжения начинают играть более существенную роль. При достижении определённой температуры (точки конденсации) эти силы становятся достаточно сильными, чтобы удержать молекулы близко друг к другу. В этот момент происходит фазовый переход — конденсация — и газ переходит в жидкое состояние. В жидкости молекулы расположены плотно, но всё ещё могут перемещаться и скользить друг относительно друга, не имея фиксированного положения.

При дальнейшем охлаждении уже жидкости, кинетическая энергия её молекул продолжает уменьшаться. Движение молекул становится всё более медленным. В определённый момент, при достижении температуры замерзания (или кристаллизации), энергия движения становится настолько малой, что силы межмолекулярного притяжения фиксируют молекулы в определённых положениях, образуя упорядоченную структуру, называемую кристаллической решёткой (для большинства веществ). Происходит второй фазовый переход — затвердевание. Молекулы в твёрдом теле перестают свободно перемещаться и могут лишь совершать колебательные движения около своих положений равновесия.

Таким образом, постоянное охлаждение газа приводит к уменьшению интенсивности теплового движения его молекул, что вызывает последовательные фазовые переходы: из газообразного состояния в жидкое, а затем в твёрдое.

Ответ: При постоянном охлаждении газ сначала сконденсируется и перейдёт в жидкое состояние, а при дальнейшем охлаждении жидкость затвердеет и перейдёт в твёрдое состояние. С точки зрения молекулярного строения, это происходит из-за того, что при охлаждении уменьшается средняя кинетическая энергия и скорость движения молекул. В результате силы межмолекулярного притяжения, которые всегда существуют между молекулами, становятся достаточными, чтобы сначала удержать их в объёме жидкости, а затем зафиксировать в определённых положениях в твёрдом теле.

Задание 11. Возьмите две одинаковые пластиковые бутылки. Одну наполните доверху водой, вторую оставьте пустой. Закройте бутылки крышками. Сожмите бутылки. Опишите наблюдаемые явления. Какие выводы вы можете сделать по результатам опыта?

Решение

Для проведения опыта необходимо подготовить две одинаковые пластиковые бутылки. Одну бутылку нужно наполнить водой доверху, а вторую оставить пустой (она будет наполнена воздухом). Обе бутылки необходимо плотно закрыть крышками. Далее следует поочередно приложить усилие, чтобы сжать каждую из бутылок.

Опишите наблюдаемые явления.

При попытке сжать бутылку, целиком заполненную водой, мы обнаружим, что она практически не изменяет свою форму. Бутылка ощущается очень твердой, и для ее деформации требуется приложить значительное усилие, при этом сжатие будет минимальным.

При сжатии пустой бутылки, наполненной воздухом, мы увидим, что ее стенки легко поддаются давлению. Бутылка заметно сминается и ее объем существенно уменьшается даже при небольшом усилии.

Какие выводы вы можете сделать по результатам опыта?

Этот эксперимент демонстрирует фундаментальное различие в свойствах веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях: жидком (вода) и газообразном (воздух). Основной вывод касается их сжимаемости.

Жидкости, такие как вода, являются практически несжимаемыми. Молекулы в жидкостях расположены близко друг к другу, и для уменьшения расстояния между ними требуются огромные давления. Когда мы сжимаем бутылку с водой, приложенное нами давление, согласно закону Паскаля, передается во все точки жидкости без изменений. Так как вода не может сжаться и уменьшить свой объем, она "сопротивляется" деформации стенок бутылки, создавая высокое внутреннее давление.

Газы, в отличие от жидкостей, легко сжимаемы. Молекулы в газах находятся на больших расстояниях друг от друга, и это расстояние можно легко уменьшить, приложив внешнее давление. Поэтому, когда мы сжимаем бутылку с воздухом, мы сжимаем сам воздух, уменьшая занимаемый им объем, что и позволяет стенкам бутылки легко деформироваться.

Ответ: Бутылку с водой сжать практически невозможно, в то время как пустую бутылку с воздухом сжать легко. Этот опыт показывает, что жидкости (вода) практически несжимаемы, а газы (воздух) обладают высокой сжимаемостью.