Молекулярнокинетический рассказ, или весенняя бесе

- Видишь, внук, снег вокруг нашей ёлочки просел, сугробы меньше стали, как думаешь, почему?

- Деда, ты же сам говорил, что весной солнышко выше, греет лучше, вот снег и тает.

- «Тает» - он, что, исчезает куда-то?

- В воду превращается, а вода ручейками утекает.

- Молодец, Главное слово произнёс: превращается. А почему снег или лёд в воду превращается? Сложный вопрос. Но не переживай, будешь физику в школе изучать, всё узнаешь. А сейчас попробую тебе по-простому объяснить про превращения вещества. Слушай.
Про атомы тебе уже рассказывали. Атомы могут объединяться в молекулы, из которых и состоят вещества. Молекулы – такие крохотные частицы, которые не то что глазом, в микроскоп не увидишь. Будем считать, что молекулы – твёрдые шарики. Летит один такой шарик, навстречу ему другой – бах! Что произойдёт? Правильно – стукнулись и разлетелись. Тут есть маленькая хитрость: шарик, который летит быстрее, после удара никогда не может полететь ещё быстрее, он может только уменьшить свою скорость, передав часть её (точнее говорить о передаче импульса, но для одинаковых шариков это не важно) другому такому же шарику. Если бы мы с тобой сейчас разговаривали на греческом языке, то слово «движение» произносили бы «кинетикос» - при этом нос кверху и голову так: «Кинетикос!» Ладно, слушай дальше по-русски о молекулярной кинетике.
Если молекулы свободно летают и взаимодействуют только путём соударений, то вещество находится в газообразном состоянии. Если газ находится в закрытой банке (лучше говорить – в сосуде), то молекулы-шарики стукаются не только друг о друга, но и о стенки сосуда. Чем быстрее двигаются молекулы, тем сильнее удары, а, значит, больше давление. Если крышку сосуда открыть, весь газ из него улетучится. Вот ты когда газовый баллончик в обойму пистолета вставляешь, баллончик-сосуд вскрывается, но остаётся перекрытым клапаном курка. Нажимаешь на спуск, клапан открывается, и молекулы углекислого газа своим высоким давлением выбрасывают пульку из ствола, потом разлетаются в разные стороны, перемешиваясь с молекулами воздуха. Кстати, воздух – это не одно вещество, в нём много двухатомных молекул азота, поменьше молекул кислорода, тоже двухатомных, - мы ими дышим, - и совсем немного других газов. Выстрелил из пневматики – засорил атмосферу трёхатомными молекулами «цэ о два», нарушил Киотские соглашения. Шутка. Вернёмся к закрытой банке-сосуду. Пусть его крышка плотно закрыта, но может перемещаться, как поршень. Мы с тобой сильные, давай будем задвигать поршень внутрь сосуда. Молекулы будут сопротивляться, давление газа  будет увеличиваться.

- Деда! Ты же говорил, что давление увеличивается, если молекулы двигаются быстрее.

- Опять молодец. Теперь я говорю о втором способе повышения давления – уменьшении объёма. Газ становится плотнее, о стенки ударяется больше молекул, и давление возрастает. А средняя скорость молекул возрастает при увеличении температуры, при уменьшении температуры эта скорость падает. Знаешь, что значит слово «средняя»? Ну да, ну да, у вас же рейтинги, средний балл, ЕГЭ. Видишь, иногда и новации образованию помогают. Сейчас нам важно понять, что при сжатии уменьшается расстояние между молекулами (среднее!), и наступает момент, когда они вплотную прижимаются друг к другу. Молекулы продолжают свободно двигаться, как бы вальсируют, кружатся в хороводе, но не разлетаются. Возникает жидкое состояние вещества. Жидкость принимает форму сосуда, в котором находится, растекается на ровной поверхности. Правда, не всегда газ можно перевести в жидкость только сжатием. Некоторые молекулы, например, того же кислорода, капризничают, убегают от других, пока их не остановишь. Такие вещества нужно ещё и охладить, чтобы перевести в жидкое состояние. Теперь подумаем, что произойдёт, если дальше сжимать жидкость.

- Э, дед, ты же сказал, что молекулы в жидкости вплотную друг к другу прижаты, они, что, будут сплющиваться?

- Нет, молекулу не сплющишь. Объём жидкости при повышении давления не изменяется. Говорят, что жидкость несжимаема. Вспомним о скорости движения молекул. Если сжатие не изменяет состояние жидкости, попробуем её охладить. Молекулы будут вальсировать всё медленнее и медленнее и вдруг (обрати внимание на это «вдруг») перестают покидать то место, на котором находятся. Так, переступают красиво туда-сюда (колеблются), как танцоры в шеренгах сиртаки, - ты знаешь этот танец, в кружок ходишь. Вещество переходит в твёрдое состояние, которое также называют кристаллическим. Места, около которых совершают небольшие колебания молекулы в кристалле, называют узлами кристаллической решётки. Кристалл не изменяет свою форму. Лёд – это кристаллическое состояние воды. Ты рассматривал снежинки?

- Да, видел, очень красиво.

- Конечно, очень красивые звёздочки, с узорами на лучах. Причём двух одинаковых узоров не бывает. Но у всех снежинок есть одно свойство: их звёздочки имеют шесть лучей. Это объясняется свойствами молекул воды, из которых состоят кристаллики льда, из которых состоят снежинки, которые построил Джек. Кристаллы могут немного увеличиваться при нагревании или уменьшаться при охлаждении, не меняя своей формы. Этот процесс называется тепловым расширением. Всё понятно?

- Вроде бы, понял. У веществ три состояния: твёрдое, жидкое и газовое. Так?

- Газообразное. Правильно понял, но существует ещё четвёртое состояние. Не хотел тебе голову забивать, к таянию снега это отношения не имеет, но раз уж ты сам спросил, слушай дальше. Дело в том, что в природе существует температура, при которой движение молекул прекращается, ниже неё температур не бывает – «абсолютный нуль». Между прочим, эта температура не такая уж низкая – всего на 273 градуса ниже той, при которой замерзает вода. Нормальная температура твоего тела на 36,6 градуса выше температуры замерзания воды, которая в шкале Цельсия принимается за ноль градусов. А вот нагревать вещество можно сколько угодно: до тысяч, сотен тысяч и даже миллионов градусов. Представляешь, с какой бешеной скоростью при этом летают молекулы?

- Высокая кинетика.

- Так не говорят. На самом деле при очень высоких температурах молекулы существовать не могут. Но давай по порядку. Итак, пусть есть вещество в твёрдом состоянии, например, кристалл льда. Начинаем его нагревать. Ты сказал, что при нагревании лёд тает. Но это не значит, что с кусочка льда сразу начинают капельки воды стекать, как с нас с тобой в парилке. Кристалл при нагревании не меняет свою форму, пока вдруг, - помнишь, я обращал твоё внимание на «вдруг», - именно при этом «вдруг», то есть при той температуре, при которой замерзает вода, лёд начинает таять. Температура льда при таянии не меняется, хотя печка или солнышко продолжают его нагревать. Температура льда остаётся 0 градусов, пока он весь не растает. Греем дальше. При температуре 100 градусов вода вдруг – опять вдруг! – начинает интенсивно испаряться, пока вся не перейдёт в пар – так называется газообразное состояние воды, а также любой другой жидкости. Ну, а что будет дальше, как думаешь?

- Молекулы будут двигаться быстрее и быстрее.

- Правильно. Они так разгонятся, что при ударах будут рассыпаться на атомы. Образуется атомарный газ, но это не новое состояние вещества – газ и газ. При последующем повышении температуры (это уже десятки тысяч градусов) атомы двигаются так интенсивно, что при соударениях из них вылетают внутренности, в первую очередь лёгкие, по сравнению с самим атомом, частицы – электроны. Электроны обладают отрицательным электрическим зарядом. Видел на батарейках знак «минус»? Это отрицательный полюс, где скапливаются электроны. Оставшаяся тяжёлая часть атома – ион – становится положительно заряженной. Образуется газ из электрически заряженных частиц. У такого газа возникает новое свойство: им можно управлять с помощью электрических и магнитных полей. Это четвёртое состояние вещества – плазма.

- Деда, раз плазма такая горячая, в каком сосуде её можно хранить? Стенки ведь расплавятся.

- Эк копнул! Уже много лет учёные пытаются создать банку для плазмы со стенками из магнитных полей, созданных электрическим током, - «токамак» называется. Пока слабО. А вот природе всё по силам. Молния при грозе, северное сияние – это всё плазма. Кстати, о северном сиянии. Посмотри на небо, что там видишь?

- Облака.

- А ещё?

- Солнце на небе, но я на него смотреть не могу.

- Правильно, потому что температура поверхности Солнца составляет шесть тысяч градусов. Под ней температура достигает нескольких сотен тысяч, а в центре 15 миллионов градусов. Солнце – это громадный плазменный шар. Плазма находится в сжатом состоянии, которое обеспечивается не внешним поршнем, а внутренними силами гравитационного притяжения. Я тебе о них потом расскажу.
Пойдём лучше ручейки вокруг дома пропускать, а то вода в подполье попадёт, бабушка ворчать будет.

АЮ

05 апреля 2022 года