Одно из самых замечательных свойств воды ты наблюдал уже сотни раз зимой на реке, на озере или на пруду. Ты видел там лёд, то есть твёрдую воду. Подо льдом — жидкая вода. Надо льдом — водяной пар (он всегда есть в воздухе). Что же здесь необычного? А вот что. Вода — единственное на Земле вещество, которое может в природных условиях находиться одновременно во всех трёх состояниях: твёрдом, жидком и газообразном!
Что же представляют собой эти три состояния вещества? Чем они отличаются и в чём схожи?
Исследуем сначала вещество в твёрдом состоянии. Ты хорошо знаешь: чтобы сломать какую-нибудь вещь, нужно приложить силу, порой немалую. Можно сделать первый вывод: молекулы, из которых состоит твёрдое тело, прочно сцеплены между собой. А иначе всё, что мы называем твёрдом, давно бы распалось!
Тебе известно также, что твёрдая пластинка, пока её не расплавишь или не сломаешь, остаётся по форме пластинкой, кубик-кубиком, трубка-трубкой, шар-шаром… Одним словом, любое твёрдое тело сохраняет свою форму. А раз так — делаешь ты второй вывод — значит, в твёрдом теле царит твёрдый порядок: у каждой молекулы своё определённое место, как у солдат в строю (строй ведь тоже сохраняет форму, пока солдаты остаются на своих местах).
Наконец, тебе хорошо знакомо и такое свойство: твёрдое тело очень трудно сжать. О чём это говорит? О том, что в твёрдом теле молекулы «упакованы» очень плотно — так плотно, словно семечки в подсолнухе.
Те же семечки, но насыпанные в стакан, можно сравнить с молекулами жидкости — здесь уже нет такого твёрдого порядка, хотя «упакованы» они тоже плотно. Поэтому и жидкость трудно сжать (ты можешь убедиться в этом, если наберёшь воду в шприц, закроешь отверстие для иглы и попробуешь надавить на поршень! Значит, в жидкости молекулы тоже упакованы плотно!)
А крепко ли сцеплены молекулы жидкости? Казалось бы, какое тут сцепление, если струя жидкости разлетается на капли и совсем малюсенькие капельки… Но знаешь ли ты, сколько молекул в крошечной капельке? Даже вымолвить страшно: миллиарды миллиардов! Выходит, и в жидкости молекулы-соседки крепко держатся друг за друга. Если бы они не держались, струя разлеталась бы на капли, а на отдельные молекулы.
Итак, мы с тобой установили, что кое в чём жидкость и твёрдое тело похожи: молекулы в них упакованы плотно, то есть расположены близко одна от другой, и при этом молекулы-соседки крепко «держатся за руки».
Но есть и важное отличие: из-за того, что в жидкости молекулы не подчинены такой строгой дисциплине, как в твёрдом теле, жидкость не сохраняет свою форму — попросту говоря, течёт.
Теперь сравним жидкость и газ. Если тебе приходилось накачивать велосипедным насосом шину, ты заметил, наверное, что в отличие от жидкости сжать воздух ничего не стоит. Литр воздуха, если как следует его сдавить, можно уменьшить до объёма напёрстка! Ты отлично понимаешь, почему это возможно: потому, что между молекулами воздуха большие промежутки. И в самом деле, в твоей комнате, например, расстояние между двумя соседними молекулами воздуха приблизительно в десять раз больше, чем размеры самой молекулы.
Сравним жидкость и газ ещё по одному свойству. Вот купил ты пакет молока, его объём — пол-литра. Перелил в бутылку — те же пол-литра. В банке, кастрюле, кофейнике — всюду молоко займёт один и тот же объём.
А как ведёт себя газ? Он не имеет определённого объёма. Молекулы газа разлетаются кто куда при малейшей возможности, то есть когда им не мешают стенки сосуда или комнаты. Если открыть баллончик с газом в космосе, молекулы газа разлетятся по всей Вселенной!
Разумеется, ты сразу же сделаешь из этого важный вывод: ничто не удерживает молекулы газа друг возле друга. Выходит, каждая молекула газа напоминает знаменитую сказочную кошку, которая «гуляет сама по себе»!
Теперь смотри, что получается: в твёрдом теле и в жидкости молекулы-соседки расположены близко друг от друга и между ними нет никакого сцепления. Значит, делаешь ты ещё один важный вывод, силы, которые помогают молекулам крепко «держаться за руки» (физики называют их СИЛАМИ МОЛЕКУЛЯРНОГО СЦЕПЛЕНИЯ), действуют лишь на близком расстоянии!
Но разве молекулы газа никогда не сближаются? Ещё как сближаются! Они то и дело налетают друг на друга: в твоей комнате, например, на счету у каждой молекулы воздуха ни много ни мало — четыре миллиарда столкновений в секунду!
Но ведь при таком числе столкновений молекулы воздуха должны в конце концов всё до единой сблизиться и, «схватившись за руки», соединиться в капельки и кристаллики. Почему же они не образуют, по примеру молекул воды, облака и туманы, не проливаются на Землю дождём, почему на нашей планете нет хотя бы маленьких ручейков с жидким кислородом, утренней росы из жидкого азота, инея и ледников из «сухого льда» — твёрдой углекислоты? Что мешает молекулам этих газов сцепляться при сближении?
Мешает скорость. В той же твоей комнате молекулы кислорода и азота мчатся со скоростью приблизительно полкилометра в секунду. Это 1800 километров в час — в полтора раза быстрее звука! (Только имей в виду, что это средняя скорость: есть молекулы и более медленные, и более быстрые.)
Столкнувшись на огромной скорости, молекулы, не успев сцепиться, отскакивают друг от друга, словно бильярдные шары.
Теперь тебе ясно, как помочь молекулам газа сцепиться: нужно уменьшить их скорость. Каким образом? Охладить газ! Потому что, чем выше температура, тем быстрее движутся молекулы. И наоборот, чем ниже температура, тем медленнее движутся молекулы. Значит, любой газ можно охладить до такой степени, что он превратится в жидкость и даже в твёрдое тело!
Надо сказать, что и тогда тепловое движение молекул хотя и замедлится, но не прекратится. Конечно, в твёрдом теле и в жидкости молекулы не летают, как в газе. В твёрдом теле они «приплясывают», не сходя с места. А в жидкости молекула попляшет, попляшет на одном месте, потом — прыг! — и уже отплясывает на другом, ещё через какое-то время — на третьем, и так далее.
Самые энергичные молекулы могут допрыгаться до того, что окажутся на поверхности, расцепятся с молекулами-соседками и улетят: жидкость испаряется. А если её нагреть до кипения, расцепляться начнут молекулы не только на поверхности, но и внутри жидкости, пока вся она не превратится в пар (можно сказать и «в газ» — это одно и то же).
Интересности:
В облачках, которые поднимаются над кипящим чайником, самоваром или кастрюлей, молекулы воды уже успели соедниться в крошечные капельки.
