Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Лицей №4» муниципального образования г. Чебоксары – столицы Чувашской Рес- публики Методическая разработка на тему:
«Применение интерактивных плакатов при изуче-

нии темы «Агрегатные состояния вещества» на уроках

физики в 10 классах»
Выполнил учитель физики МАОУ «Лицей № 4» г. Чебоксары Бутин В. В. Чебоксары 2016 г.
Содержание. 1. Введение. 2. Пары и газы. 3. Особенности жидкого состояния вещества. 4. Твердое тело. 5. Диаграмма состояний вещества. 6. Испарение и конденсация. 7. Насыщенный и ненасыщенный пар. 8. Кипение. 9. Относительная влажность воздуха. 10. Плавление и отвердевание. 11. Список литературы.
1. Введение
Все вещества (за малым исключением) могут находиться в трех агрегатных состоя - ниях — газообразном, жидком и твердом (кристаллическом). Переход вещества из одного 2
состояния в другое зависит от условий, в которых оно находится, — от давления и темпе- ратуры. В газах и жидкостях структурные элементы, из которых состоит то или иное веще- ство, — атомы, молекулы или ионы — расположены беспорядочно. Иначе обстоит дело с кристаллами, где частицы вещества расположены упорядоченно, образуя кристалличе - скую решетку. Таких решеток у вещества может быть несколько, в результате чего возмож - но несколько различных модификаций кристалла с разными свойствами (полиморфизм). Например, углерод образует две кристаллические модификации — графит и алмаз. Исходя из этого, кроме понятия агрегатного состояния, вводится более широкое по- нятие фазы.
Фаза — это равновесное состояние вещества, отличающееся по своим физиче-

ским свойствам от других состояний того же вещества.
У вещества возможны газообразная и жидкая фазы и одна или несколько кристал- лических фаз. Переход вещества из одной фазы в другую называется фазовым переходом. При таких переходах меняются механические, тепловые, электрические и магнитные свой- ства вещества.
2. Пары и газы.
Для начала вспомним, что веществам в газообразном состоянии свойственно: во-первых не иметь постоянного объёма, т. е. занимать весь объём того сосуда, в котором 3
г а з н а х о д и т с я ; во-вторых не иметь собственной формы, т. е. принимать форму того сосуда, в котором газ находится; в-третьих газы легко сжимаемы. Объяснение этих свойств легко получить, если вспомним что расстояния между мо- лекулами в газах во много раз больше самих молекул. Таким образом силами притяжения между молекулами можно пренебречь, силы отталкивания проявляют себя при столкнове- ниях молекул друг с другом. Примерно до середины XIX в. вещества в газообразном состоянии разделялись на пары и «постоянные газы». «Постоянными газами» называли аммиак, кислород, азот, во- дород, хлор, так как их не удавалось перевести в жидкое состояние путем повышения дав- ления. Догадку об отсутствии принципиального различия между парами и «постоянными газами» высказывал еще в конце XVII в. А. Лавуазье. Он считал, что при достаточно низ- кой температуре в жидкость превратится и атмосферный воздух. Первым из «постоянных газов» был сжижен аммиак при повышении давления до 7 • 10 5 Па. В 1823 г. М. Фарадею удалось превратить в жидкость хлор путем охлаждения его при повышенном давлении. В 1877 г. французский инженер Кальете и швейцарский физик Р. Пикте независимо друг от друга добились сжижения кислорода при повышении давления примерно до 3 • 10 7 Па и охлаждении до температуры ниже -140 °С. В том же году был сжижен азот. В 1898 г. английский физик Дж. Дьюар получил жидкий водород, а в 1908 г. в Голландии Г. Камерлинг-Оннес перевел в жидкое состояние гелий — последний газ, который до него никому не удавалось превратить в жидкость. Таким образом, было установлено, что из газообразного состояния в жидкое можно перевести любое вещество. Однако каждое вещество может испытать такое превращение лишь при температурах ниже определенной, так называемой критической температуры Т к . При температуре выше критической вещество не превращается в жидкость или твердое тело ни при каких давлениях. Очевидно, что при критической температуре средняя кине- тическая энергия теплового движения молекул вещества примерно равна модулю потенци- альной энергии их связи в жидкости или твердом теле. Так как силы притяжения, действу- ющие между молекулами разных веществ, различны, неодинакова и потенциальная энер - 4
гия их связи, отсюда различными оказываются критические температуры для разных ве - ществ. Рассмотрим основные принципы, используемые в машинах для сжижения газов. Первое условие, которое необходимо выполнить для превращения газа в жидкость, — это охлаждение его до температуры ниже критической. При температуре ниже критической любой газ может быть переведен в жидкое состояние путем повышения давления, поэтому сжижение газов, имеющих высокую критическую температуру, не представляет принци- пиальной трудности. Более сложной задачей является сжижение газов, критическая темпе - ратура которых близка к абсолютному нулю. Такими газами являются кислород, азот, во- дород, гелий, критические температуры которых равны соответственно 154,4, 126,4, 33,3 и 5,3 К. Такие низкие температуры не встречаются на Земле в естественных условиях, поэтому проблема сжижения этих газов оказывается тесно связанной с проблемой получе- ния низких температур.
3. Особенности жидкого состояния вещества.
В с п о м н и м , ч т о в е щ е с т в а м в ж и д ко м с о с т о я н и и с в о й с т в е н н о : во-первых сохранять постоянный объём, независящий от объёма со суда; 5
во-вторых не иметь собственной формы, т. е. принимать форму того сосуда, в котором ж и д к о с т ь н а х о д и т с я ; в-третьих жидкости трудно сжимаемы. Способность любого вещества превращаться из газа в жидкость доказывает, что между частицами вещества (атомами, молекулами) действуют не только силы отталкива- ния, но и притяжения. Частицы вещества в жидкости или в твердом теле плотно упакованы, т. е. находятся друг от друга в среднем на таких расстояниях, когда сила взаимодействия между ними равна нулю, т. е. энергия взаимодействия минимальна. Смещаясь периодически от положе- ний равновесия, частицы совершают тепловые колебания. В жидкости упорядоченное рас- положение молекул сохраняется лишь среди ближайших соседей, т. е. на расстояниях по- рядка нескольких молекулярных диаметров. Такое расположение частиц вещества назы- вается ближним порядком. Молекулы жидкости, совершая тепловые колебания около по- ложений равновесия, при столкновениях друг с другом могут приобрести энергию, доста- точную для того, чтобы «перекочевать» в новое положение равновесия. В результате этого ближний порядок постоянно разрушается тепловым движением и вновь создается силами межмолекулярного взаимодействия. Существование ближнего порядка в расположении молекул жидкости и возмож- ность их сравнительно свободного перемещения друг относительно друга обусловливают ряд свойств жидкостей. Так, объем жидкости мало зависит от давления. Малая сжимае - мость является свойством, общим для жидких и твердых тел и отличающим их от газов, способных занимать любой предоставленный объем. Возможность свободного перемещения молекул друг относительно друга обуслов- ливает свойство текучести жидкости. Вследствие этого форма жидкого тела определяется формой сосуда, в котором находится жидкость, действием внешних сил (в частности, силы тяжести) и сил поверхностного натяжения. Большая свобода движения молекул в жидко- сти приводит к большей скорости диффузии в жидкостях, чем в твердых телах, обеспечи - вает возможность растворения твердых веществ в жидкостях.
3. Твердое тело.
Теперь вспомним, что веществам в твердом состоянии свойственно: во-первых, сохранять постоянный объём; 6
во-вторых, сохранять собственную форму; в-третьих, они, как и жидкости трудно сжимаемы. Из газообразного и жидкого состояний любое вещество может перейти в твердое состояние. Твердое тело отличается от жидкости тем, что при тепловых колебаниях около положений равновесия атомы и молекулы длительное время не могут изменить своего по- ложения среди других атомов. Это приводит к возможности установления дальнего поряд- ка в расположении атомов, т. е. строгой периодичности в расположении атомов на протя- жении тысяч межатомных расстояний. Упорядоченная структура в реальном кристалле на- рушается из-за наличия дефектов. Дефекты в структуре кристаллической решетки облегчают также переходы атомов или молекул в кристалле с одного места на другое, но происходят такие переходы редко. Среднее время «оседлой жизни» молекул исчисляется сутками и годами. Поэтому диффу- зия в кристаллах протекает медленно. 7

5. Диаграмма состояний вещества.
На рисунке изображены диаграммы трех фазовых состояний вещества. Равновесному состоянию между жидкостью и ее паром соответствует кривая испа- рения АК. Равновесие между твердым и жидким состояниями вещества характеризует кривая плавления А В . При давлениях и температурах, соответствующих точкам этой кривой, твердое тело и расплав, приведенные в соприкосновение, находятся в динамическом рав - 8
новесии. Число молекул, переходящих в единицу времени из жидкости в твердое тело, равно числу молекул, переходящих границу раздела между ними в противоположном направлении. Кривая плавления идет почти вертикально, поскольку температура плавления слабо зависит от давления (на рисунке а) она немного отклонена вправо). Этим иллюстрируется повышение температуры плавления с увеличением давления, наблюдаемое у большинства веществ. Для вещества, обладающего в твердом состоянии меньшей плотностью, чем в жидком (лед, висмут, серый чугун), увеличение давления способствует плавлению. Для та- ких веществ кривая плавления отклонена влево от вертикали (рис. б)). Кривая СА на диаграмме состояний вещества отвечает значениям давления и темпе - ратуры, при которых устанавливается равновесие между процессами испарения молекул (атомов) твердого тела и конденсации их на поверхность твердого тела. Процесс испаре - ния твердых тел называется сублимацией. Конечно, сублимации сопутствует и обратный процесс — кристаллизация из пара. При определенных сочетаниях температуры и давле- ния система «кристалл — пар» находится в динамическом равновесии. С уменьшением температуры кристалла уменьшается и давление его насыщенного пара (см. кривую субли- мации СА).
Тройная точка.
Кривые плавления и парообразования пересекаются в точке А. Эту точку называют тройной точкой, так как если при давлении р тр и температуре Т тр некоторые части веще- ства в твердом, жидком и газообразном состояниях находятся в контакте, то без подведе- ния или отвода тепла количество вещества, находящегося в каждом из трех состояний, не изменяется. Из диаграммы состояний вещества видно, что переход вещества при нагревании из твердого состояния в газообразное может совершиться, минуя жидкое состояние. Переход кристалл — жидкость — газ при нормальном атмосферном давлении происходит лишь у тех веществ, у которых давление в тройной точке ниже этого давления. Те же вещества, у которых давление в тройной точке превышает атмосферное, в результате нагревания при атмосферном давлении не плавятся, а переходят в газообразное состояние (сублимируют). Например, при атмосферном давлении твердая углекислота при нагревании не пла- вится, а сублимирует. Это объясняется тем, что тройной точке соединения СО 2 соответ- ствует давление, примерно в пять раз большее нормального атмосферного давления. 9
Поскольку тройной точке соответствует вполне определенная температура, она мо- жет служить опорной (основной) точкой термометрической шкалы. Оказывается, что тем- пература тройной точки воды равна 273,16 К (т. е. 0,01 °С). Это позволило ввести в Меж - дународной системе единиц следующее определение единицы термодинамической (абсо- лютной) температуры (1 К): кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температу- ры тройной точки воды.
6. Испарение и конденсация.
В жидкости или твердом теле при любой температуре существует некоторое коли- чество молекул (атомов), кинетическая энергия которых превышает модуль потенциальной энергии их связи с остальными частицами вещества. Испарение — это процесс, при кото - ром с поверхности жидкости или твердого тела вылетают частицы (молекулы, атомы), ки- нетическая энергия которых превышает потенциальную энергию их связи с остальными частицами вещества. При испарении с поверхности жидкости или твердого тела вылетают наиболее бы- стрые частицы, обладающие максимальной кинетической энергией. В результате происхо- дит уменьшение средней кинетической энергии оставшихся частиц. Поэтому процесс ис- парения сопровождается охлаждением жидкости или твердого тела, если только при этом нет подвода тепла из окружающей среды. 10

7. Насыщенный и ненасыщенный пар.
Процесс испарения жидкости или твердого тела в закрытом сосуде или помещении при неизменной температуре сопровождается постепенным увеличением концентрации молекул испаряющегося вещества в газообразном состоянии. Через некоторое время после начала процесса испарения концентрация вещества в газообразном состоянии достигает такого значения, при котором число молекул, возвращающихся в единицу времени, стано- вится равным числу молекул, покидающих поверхность жидкости за то же время. Устанав- ливается динамическое равновесие между процессами испарения и конденсации веще - ства. Вещество в газообразном состоянии, находящееся в динамическом равновесии с жидкостью или твердым телом, называется насыщенным паром. Пар, давление которого 11
ниже давления насыщенного пара при данной температуре, называется ненасыщенным (или перегретым). При уменьшении объема, занимаемого насыщенным паром, концентрация его моле- кул увеличивается и пар становится пересыщенным. Равновесие между процессами испа- рения и конденсации пара нарушается, скорость конденсации превышает скорость испаре - ния, в результате чего часть вещества из газообразного состояния превращается в жидкое и пар вновь становится насыщенным. Пар из насыщенного может стать пересыщенным не только при повышении концентрации молекул, но и при понижении температуры. Интенсивность процесса испарения увеличивается с возрастанием температуры жидкости (или испаряющегося твердого тела). Поэтому установление динамического рав- новесия между процессами испарения и конденсации при повышении температуры проис- ходит при более высоких концентрациях молекул газа. Давление идеального газа при постоянной концентра- ции молекул возрастает прямо пропорционально абсолютной температуре. Так как в насыщенном паре при возрастании температуры концентрация молекул увеличивается, а их сред- няя кинетическая энергия также возрастает, то давление насы- щенного пара с повышением температуры возрастает бы- стрее, чем давление идеального газа с постоянной концент- рацией молекул.
8. Кипение.
Зависимость температуры кипения от давления. Испарение может происходить не только с поверхности жидкости, но и в пузырьки воздуха, который обычно раство рен в жидкости. Объем этих пузырьков, заполненных насыщенным паром, невелик, но с ростом температуры резко возрастает. Эти пузырьки всплывают на поверхность жидкости и лопа - ются, выбрасывая пар в атмосферу, если давление насыщенного пара равно внешнему дав- лению или превышает его. Процесс испарения, идущий по всему объему жидкости, назы- вается кипением. Давление насыщенного водяного пара при кипении равно внешнему дав- лению на жидкость. При нормальном давлении кипение воды происходит при 100 °С. При температуре, например 80 °С, давление насыщенного пара примерно в два раза меньше нормального атмосферного давления. Поэтому вода при этой температуре должна заки- петь, если давление над ней уменьшить до половины нормального атмосферного давле- 12
ния. Проверить это можно на следующем опыте. Нальем в небольшой стеклянный стакан воду, нагретую до 80 °С. Вода при нормальном давлении не кипит. Поставим стакан под стеклянный колпак на тарелку вакуумного насоса и будем откачивать воздух из-под колпака. Вско- ре вода закипит, хотя температура ее остается прежней. Итак, теория и опыт показывают, что температура кипения зависит от внешнего давления. При понижении внешнего давления температура кипения жидкости понижается, при повышении давления температура кипения повышается.
9. Относительная влажность воздуха.
В атмосферном воздухе интенсивность испарения воды зависит от того, насколько близко давление паров воды к давлению насыщенных паров при данной температуре. От- ношение давления паров вод ы р к давлению насыщенного водяного пара р 0 при данной температуре, выраженное в процентах, называется относительной влажностью воздуха: φ = p p 0 100 С небольшой погрешностью можно в формуле вместо отношения давлений подста- вить отношение плотностей. Относительная влажность 100% означает установление дина - мического равновесия между процессами испарения и конденсации воды.
Точка росы.
13
Так как давление насыщенного пара тем ниже, чем ниже температура, то при охла- ждении воздуха находящийся в нем водяной пар при некоторой температуре становится насыщенным. Температура, при которой находящийся в воздухе водяной пар становится насыщенным, называется точкой росы.
Гигрометр.
Точку росы можно определить с помощью гигрометра. Он представляет собой ме- таллический сосуд, в который наливается легко испа- ряющаяся жидкость, например эфир. При испарении эфира происходит охлаждение стенок гигрометра, и при достижении точки росы на полированной поверх- ности появляются капли росы. Температуру гигроме- тра измеряют термометром. Для ускорения процесса испарения эфира через него с помощью груши проду- вается воздух (рис. 2.27). Действие гигрометра другого типа, волосного, основано на свойстве обезжиренного человеческого волоса удлиняться при повышении влажности. В этом приборе натянутый волос соединен со стрелкой прибора, показывающей по шкале относительную влажность воздуха.
Определение относительной влажности.
По точке росы можно найти давление водяного пара в воздухе. Оно равно давлению насыщенного пара при температуре, равной точке росы. Отыскав затем в соответствующей таблице значения давления насыщенного водяного пара при температуре воздуха, можно рассчитать относительную влажность воздуха по формуле. Относительную влажность воздуха можно также определить с помощью прибора, называемого психрометром (рис. 2.28). Один термометр измеряет температуру воздуха, а другой — температуру ткани, смоченной водой. С поверхности влажной ткани происходит испарение воды, в результате температура влажной ткани понижает- ся. Скорость испарения воды зависит от температуры и относитель- ной влажности воздуха. Чем меньше паров в воздухе, тем интенсив- нее идет процесс испарения и тем ниже температура влажного тер- мометра. С помощью специальной таблицы, называемой психромет- рической, по разности показаний сухого и влажного термометров определяют относительную влажность воздуха. Умение измерять относительную влажность воздуха и ре- гулировать ее бывает необходимо в быту и на производстве. В сухом воздухе происходит очень быстрое испарение влаги с поверхности тела человека, высыхают слизистые оболочки дыхательных путей. При относительной влажности 100% прекращается испарение воды с поверхности тела и тем самым затрудняется возможность терморе- гуляции человеческого организма. Поэтому для человека вреден как слишком сухой, так и слишком влажный воздух. Наиболее благопри- ятной для человека является относительная влажность от 40 до 60%. Определенную влажность воздуха необходимо поддерживать на многих произ- водствах (ткацком, кондитерском и др.) для обеспечения нормальных условий произ - водственного процесса, а также в библиотеках, музеях, хранилищах произведений искус- ства для обеспечения лучшей сохранности книг и различных произведений искусства. 14

10. Плавление и отвердевание.
Передавая телу энергию, можно перевести его из твердого состояния в жидкое (например, расплавить лед), а из жидкого — в газообразное (превратить воду в пар). Если газ отдает энергию, то может превратиться в жидкость, а жидкость, отдавая энергию, может превратиться в твердое тело.
Переход вещества из твердого состояния в жидкое называют плавлением.
Чтобы расплавить тело, нужно сначала нагреть его до определенной температуры.
Температуру, при которой вещество плавится, называют температурой плав-

ления вещества.
15
Одни кристаллические тела плавятся при низкой температуре, другие — при высо - кой. Лед, например, можно расплавить, внеся его в комнату. Кусок олова или свинца — в стальной ложке, нагревая ее на спиртовке.
Переход вещества из жидкого состояния в твердое называют отвердеванием

или кристаллизацией.
Чтобы началась кристаллизация расплавленного тела, оно должно остыть до опре- деленной температуры.
Температура, при которой вещество отвердевает (кристаллизуется), называют

температурой отвердевания или кристаллизации.
Опыт показывает, что вещества отвердевают при той же температуре, при ко- торой плавятся. Например, вода кристаллизуется (а лед плавится) при О °С, чистое желе- зо плавится и кристаллизуется при температуре 1539 °С. Рассмотрим плавление и отвердевание кристаллических и аморфных тел. Смесь кристалл — расплав неоднородна: существует резкая разница между кристаллом и распла- вом. Если кристаллы не слишком мелки, то всегда можно видеть, где образовался кристалл и где еще остался расплав. Это совсем не похоже на застывание аморфных тел. Когда за - стывает смола, то она густеет постепенно и одинаково во всех своих частях. Аморфное тело, застывая, остается однородным. Важное различие между свойствами кристалличе - ских и аморфных веществ относится к температуре застывания. Вынесем на мороз сосуд с водой и опустим в него термометр. Мы увидим, что вода быстро остынет до 0 °С. Затем начнется образование льда. Чтобы не дать образоваться корке из льда, будем помешивать воду. Все время, пока образуется лед, температура смеси воды и льда будет держаться рав- ной 0 °С. Затем, когда вся вода замерзнет, получившийся лед начнет охлаждаться ниже нуля. Внеся этот сосуд обратно в теплую комнату, заметим, что температура льда повыша- ется до 0 °С, затем держится равной 0 °С, пока весь лед не растает, и только после этого температура воды в сосуде поднимается выше этой температуры. Подобные явления наблюдаются при за- твердевании и плавлении всех чистых кристалли- ческих веществ. Если, например, наблюдать, как меняется с течением времени температура расплав- ленного нафталина, и построить график, показыва- ющий эту зависимость, то получим линию с гори- зонтальной частью. Эта горизонтальная часть соответствует смеси кристаллов нафталина и расплава. При затвердевании же некристаллических тел, например смолы, температура понижается непрерывно, нигде не задерживаясь. Отсюда можно вывести заключение, что при затвердевании аморфных веществ не происходит перехода вещества в новое состояние. Затвердевание смолы или стекла — только посте - пенное загустевание их. Стекло можно рассматривать как очень густую жидкость. Итак, кристаллические вещества имеют определенные температуры плавления и отвердевания (точки плавления). Аморфные тела размягчаются при повышении темпера- туры постепенно. 16
17

Конспект к уроку
18

Список литературы.
1. Под редакцией А. А. Пинского, О. Ф. Кабардина, Физика 10 класс, Москва, «Просве- щение», 2011, 432 с. 2. Под редакцией Г. С. Лансберга, Элементарный учебник физики т. 1, Москва, «Наука», 1985, 616 с. 3. А. В. Перышкин, Физика 8 класс, Москва, «Дрофа», 2010, 192 с. 4. Компания «Новый диск», Интерактивные плакаты: Серия «Электронный плакат» Мо- лекулярная физика. Часть 1. 19