Частицы в твёрдых телах, жидкостях и газах

Молекулы азота в воздухе вокруг тебя при 30 °C движутся со скоростью около 519 м/с, быстрее пассажирского самолёта.

Налей воду в стакан, и она соберётся на дне с ровной поверхностью. Вскипяти ту же воду, и пар разойдётся по комнате. Сами молекулы воды не изменились: H₂O остаётся H₂O во льду, в воде и в паре. Меняется другое: насколько далеко молекулы друг от друга, насколько сильно они друг друга удерживают и как быстро движутся. Модель частиц на этой странице рисует одни и те же 40 частиц в каждом состоянии, чтобы их можно было сравнить напрямую.

Сравнение трёх состояний

В твёрдых телах и жидкостях частицы уже соприкасаются, поэтому, как ни дави, сблизить их почти не получится. Именно поэтому гидравлический домкрат передаёт усилие через масло, а масло не сжимается. В газе большая часть объёма приходится на пустоту между молекулами, и велосипедный насос может закачать воздух в шину. Силы между молекулами объясняют и то, почему жидкости образуют капли, а твёрдые тела сохраняют форму: в обоих случаях частицы притягиваются друг к другу достаточно сильно, чтобы держаться вместе. В газе они движутся слишком быстро и находятся слишком далеко, и притяжение их не удерживает.

Вода нарушает обычное правило

У большинства веществ твёрдая фаза плотнее жидкой, поэтому кусок твёрдого вещества тонет в собственном расплаве. С водой всё иначе. Жидкая вода при 0 °C имеет плотность 0.99987 г/см³, а при замерзании плотность падает примерно на 9% (USGS). Лёд плавает, и большая часть его объёма остаётся под водой, поэтому айсберг в основном скрыт. Рыхлое расположение молекул в кристалле льда занимает больше места, чем беспорядочное расположение в жидкости. Сама жидкая вода плотнее всего при 4 °C, 1.00000 г/см³, а при дальнейшем нагревании снова становится менее плотной, вплоть до 0.95865 г/см³ при 100 °C.

Температура как движение частиц

Шкала Цельсия ставит 0 в точку замерзания воды. Это удобно, но с частицами никак не связано. Шкала Кельвина начинается с абсолютного нуля, самой низкой возможной температуры, равной −273.15 °C. Чтобы перевести, прибавь 273.15: 25 °C равны 298.15 К. По этой шкале средняя кинетическая энергия частиц прямо пропорциональна температуре, поэтому у газа при 600 К средняя кинетическая энергия вдвое больше, чем у того же газа при 300 К.

Для газа скорость следует из этой энергии. Среднеквадратичная скорость u = √(3RT/M), где R равно 8.314 Дж/(моль К), T берётся в кельвинах, а M означает молярную массу в килограммах на моль. Для азота при 30 °C OpenStax получает √(3 × 8.314 × 303 ÷ 0.028) = 519 м/с. Более тяжёлые молекулы при той же температуре движутся медленнее: молекула кислорода при −23 °C в среднем летит со скоростью около 441 м/с. Частицы на рисунке выше замедлены в миллионы раз, чтобы за ними можно было следить.