Что называется твердыми телами

Твёрдое тело

Содержание

Описание

Материаловедение главным образом рассматривает вопросы, связанные со свойствами твёрдых тел, такими как твёрдость, предел прочности, сопротивление материала нагрузкам, а также фазовые превращения. Это значительным образом совпадает с вопросами, изучаемыми физикой твёрдого тела. Химия твёрдого состояния перекрывает вопросы, рассматриваемые обоими этими разделами знаний, но особенно затрагивает вопросы синтезирования новых материалов.

Исследования свойств твердых тел объединились в большую область — физику твердого тела, развитие которой стимулируется потребностями техники. В свою очередь, физика твердого тела разделилась на ряд областей, обособление которых происходит путем выделения либо объекта исследования (физика металлов, физика полупроводников, физика магнетиков и др.), либо метода исследования (рентгеновский структурный анализ, радиоспектроскопия и т. п.), либо определенных свойств (механических, тепловых и т. д.).

Легчайшим известным твёрдым материалом является аэрогель. Некоторые виды аэрогеля имеют плотность 1.9 мг/см³ или 1.9 кг/м³ (1/530 плотности воды).

Классификация твёрдых тел

Историческая справка

Несмотря на то, что твердые тела (металлы, минералы) исследовались давно, всестороннее изучение и систематизация информации об их свойствах началось с 17 века. Начиная с этого времени был открыт ряд эмпирических законов, которые описывали влияние на твердое тело механических сил, изменения температуры, света, электромагнитных полей и т. д. Были сформулированы:

Уже в первой половине 19 в. были сформулированы основные положения теории упругости, для которой характерно представление о твердое тело как о сплошной среде.

Целостное представление о кристаллической структуре твердых тел, как совокупности атомов, упорядоченное размещение которых в пространстве обеспечивается силами взаимодействия было сформировано Огюстом Браве в 1848 году, хотя первые идеи такого рода высказывались в трактатах Николасом Стено (англ. Nicolas Steno, дан. Niels Stensen) (1669), Рене-Жуст Аюи (Гаюи) (фр. René Just Haüy) (1784), Исааком Ньютоном в работе «Математические начала натуральной философии» (1686), в которой рассчитана скорость звука в цепочке упруго связанных частиц, Даниэлем Бернулли (1727), Огюстеном-Луи Коши (1830) и др.

Фазовые переходы

При повышении температуры твердые тела переходят в жидкое или газообразное состояние. Переход твердого тела в жидкость называется плавлением, а переход в газообразное состояние, минуя жидкое, — сублимацией. Переход к твердому телу (при понижении температуры) — кристаллизация, к аморфной фазе — стеклование.

Существуют также фазовые переходы между твердотельными фазами, при которых изменяется внутренняя структура твердых тел, становясь упорядоченной при понижении температуры.

Физические свойства

Под физическими свойствами твердых тел понимается их специфическое поведение при воздействии определенных сил и полей. Существует три основных способа воздействия на твердые тела, соответствующие трем основным видам энергии: механический, термический и электромагнитный. Соответственно выделяют три основные группы физических свойств.

Механические свойства связывают механические напряжения и деформации тела, согласно результатам широких исследований механических и реологических свойств твердых тел, выполненных школой академика П. А. Ребиндера, можно разделить на упругие, прочностные, реологические и технологические. Кроме того, при воздействии на твердые тела жидкостей или газов оказываются их гидравлические и газодинамические свойства.

К термическим относят свойства, которые оказываются под воздействием тепловых полей. В электромагнитные свойства условно можно отнести радиационные, проявляющиеся при воздействии на твердое тело потоков микрочастиц или электромагнитных волн значительной жесткости (рентгеновских, гамма-лучи).

Механические свойства

В покое твёрдые тела сохраняю форму, но деформируются под воздействием внешних сил. В зависимости от величины приложенной силы деформация может быть упругой, пластической или разрушительной. При упругой деформации тело возвращает себе первоначальную форму после снятия приложенных сил. Отзыв твердого тела на прилагаемое усилие описывается модулями упругости. Отличительной особенностью твердого тела по сравнению с жидкостями и газами является то, что оно сопротивляется не только растяжении и сжатию, а также сдвигу, изгибу и кручению.

При пластической деформации начальная форма не сохраняется. Характер деформации зависит также от времени, в течение которого действует внешняя сила. Твердое тело может деформироваться упруго при мгновенном действии, но пластически, если внешние силы действуют длительное время. Такое поведение называется ползучестью. Одной из характеристик деформации является твердость тела — способность сопротивляться проникновению в него других тел.

Каждое твердое тело имеет присущий ему порог деформации, после которой наступает разрушение. Свойство твердого тела сопротивляться разрушению характеризуется прочностью. При разрушении в твердом теле появляются и распространяются трещины, которые в конце концов приводят к разлому.

К механическим свойствам твердого тела принадлежит также его способность проводить звук, который является волной, переносящий локальную деформацию с одного места в другое. В отличие от жидкостей и газов в твердом теле могут распространяться не только продольные звуковые волны, но и поперечные, что связано с сопротивлением твердого тела деформации сдвига. Скорость звука в твердых телах в целом выше, чем в газах, в частности в воздухе, поскольку межатомное взаимодействие гораздо сильнее. Скорость звука в кристаллических твердых телах характеризуется анизотропией, то есть зависимости от направления распространения.

Тепловые свойства

Важнейшим тепловым свойством твердого тела является температура плавления — температура, при которой происходит переход в жидкое состояние. Другой важной характеристикой плавления является скрытая теплота плавления. В отличие от кристаллов, в аморфных твердых тел переход до жидкого состояния с повышением температуры происходит постепенно. Его характеризуют температурой стеклования — температурой, выше которой материал почти полностью теряет упругость и становится очень пластичным.

Изменение температуры вызывает деформацию твердого тела, в основном повышение температуры приводит к расширению. Количественно она характеризуется коэффициентом теплового расширения. Теплоемкость твердого тела зависит от температуры, особенно при низких температурах, однако в области комнатных температур и выше, множество твердых тел имеют примерно постоянную теплоемкость (закон Дюлонга — Пти). Переход к устойчивой зависимости теплоемкости от температуры происходит при характерной для каждого материала температуре Дебая. От температуры зависят также другие характеристики твердотельных материалов, в частности механические: пластичность, текучесть, прочность, твердость.

Электрические и магнитные свойства

В зависимости от величины удельного сопротивления твердые тела разделяются на проводники и диэлектрики, промежуточное положение между которыми занимают полупроводники. Полупроводники имеют малую электропроводность, однако для них характерно ее рост с температурой. Электрические свойства твердых тел связаны с их электронной структурой. Для диэлектриков свойственна щель в энергетическом спектре электронов, которую в случае кристаллических твердых тел называют запрещенной зоной. Это область значений энергии, которую электроны в твердом теле не могут иметь. В диэлектриках все электронные состояния, ниже щели заполнены, и благодаря принципу Паули электроны не могут переходить из одного состояния в другое, чем обусловлено ​​отсутствие проводимости. Проводимость полупроводников очень сильно зависит от примесей — акцепторов и доноров.

Существует определенный класс твердых тел, для которых характерна ионная проводимость. Эти материалы называют супериониками. В основном это ионные кристаллы, в которых ионы одного сорта могут достаточно свободно двигаться между незыблемой решеткой ионов другого сорта.

При низких температурах для некоторых твердых тел свойственна сверхпроводимость — способность проводить электрический ток без сопротивления.

Существует класс твердых тел, которые могут иметь спонтанную поляризацию — пироэлектрики. Если это свойство характерно только для одной из фаз, что существует в определенном промежутке температур, то такие материалы называются сегнетоэлектриками. Для пьезоэлектриков характерена сильная связь между поляризацией и механической деформацией.

Оптические свойства твердых тел очень разнообразны. Металлы в основном имеют высокий коэффициент отражения света в видимой области спектра, много диэлектриков прозрачные, как, например, стекло. Часто цвет того или другого твердого тела обусловлен поглощающими свет примесями. Для полупроводников и диэлектриков характерна фотопроводимость — увеличение электропроводности при освещении.

Идеализации твердого тела в науках

Твердые тела, встречающиеся в природе, характеризуются бесконечным множеством разнообразных свойств, которая постоянно пополняются. В зависимости от поставленных перед определенной наукой задач важны лишь отдельные свойства твердого тела, другие — несущественные. Например, при исследовании прочности стали её магнитные свойства практически роли не играют.

Для простоты изучения реальное тело заменяют идеальным, выделяя лишь важнейшие свойства для рассматриваемого случая. Такой подход, практикуемый многими науками, называется абстрагированием. После выделения идеализированного тела с определенным перечнем существенных свойств, строится теория. Достоверность такой теории зависит от того насколько удачно принятая идеализация отражает существенные характеристики объекта. Оценку этому можно дать при сравнении результатов исследований, полученных теоретически на основе идеализированной модели и экспериментально.

В теоретической механике

В теоретической механике идеализированной схемой реального твердого тела является абсолютно твердое тело, то есть такое, в котором при любых обстоятельствах расстояния между любыми точками являются постоянными — не изменяются ни размеры, ни форма тела.

В теории упругости

В теории упругости и её прикладном применению сопромату также рассматриваются модели, которые учитывают и абсолютизируют отдельные свойства твердого тела. К этим свойствам Принятие условий однородности и сплошности при малых деформациях позволяет применить методы анализа бесконечно малых величин, что существенно упрощает построение теории сопротивления материалов.

Считается также, что зависимость между напряжениями и деформациями является линейной (см. Закон Гука).

В теории пластичности

В теории пластичности модели твердого тела основаны на идеализации свойств деформационного упрочнения или свойств текучести твердых тел в напряженно-деформированном состоянии.

В математике

В математике (геометрии) объектом рассмотрения является мнимое твердое тело, в котором сохраняются лишь форма и размеры при полном абстрагировании от всех других свойств. В отличие от реальных предметов геометрические тела, как и всякие геометрические фигуры, является мнимыми объектами.

Источник

Твёрдое тело

Различают кристаллические и аморфные твёрдые тела. Раздел физики, изучающий состав и внутреннюю структуру твёрдых тел, называется физикой твёрдого тела. То, как твёрдое тело меняет форму при воздействиях и движении, изучается отдельной дисциплиной — механикой твёрдого (деформируемого) тела. Движением абсолютно твёрдого тела занимается третья наука — кинематика твёрдого тела.

Технические приспособления, созданные человеком, используют различные свойства твёрдого тела. В прошлом твёрдое тело применялось как конструкционный материал и в основе употребления лежали непосредственно ощутимые механические свойства как то твёрдость, масса, пластичность, упругость, хрупкость. В современном мире применение твёрдого тела основывается также на физических свойствах, которые зачастую обнаруживаются только при лабораторных исследованиях.

Связанные понятия

Упоминания в литературе

Связанные понятия (продолжение)

Кристалл — вспомогательный геометрический образ, вводимый для анализа строения кристалла. Решётка имеет сходство с канвой или сеткой, что даёт основание называть точки решётки узлами. Решёткой является совокупность точек, которые возникают из отдельной произвольно выбранной точки кристалла под действием группы трансляции. Это расположение замечательно тем, что относительно каждой точки все остальные расположены совершенно одинаково. Применение к решётке в целом любой из присущих ей трансляций приводит.

Источник

Твердые тела и некоторые их свойства

Твердые тела — это тела, сохраняющие свою форму и объем при отсутствии внешнего воздействия. Например, тела, изготовленные из металла, пластмассы, стекла и эбонита, являются твердыми телами. Твердые тела по своей природе и физическим свойствам делятся на две группы: кристаллические и аморфные тела. К кристаллическим телам относятся минералы, например, поваренная соль, кварц, горный хрусталь, металлы в твердом состоянии. К аморфным же телам относятся эбонит, стекло, пластмассы, смола, канифоль, янтарь, опал, обсидиан и другие. Чем отличаются кристаллические тела от аморфных?

Кристаллические тела. Частички кристаллических тел (атомы, молекулы или ионы) обладают в пространстве упорядоченным расположением, образующим кристаллическую решетку. Кристаллическим телам присуща определенная температура плавления.

• Места расположения частиц в кристаллической решетке называют узлами кристаллической решетки.

Идеальное кристаллическое тело состоит из множества повторяющихся в пространстве кристаллических ячеек на произвольном удалении. По этой причине в кристаллических телах наблюдается расположение их частиц в дальнем порядке.

Кристаллические тела могут быть монокристаллическими (mono — «единица») и поликристаллическими (poli — «много»).

• Монокристалл — это кристалл, возникающий в результате роста его из одного центра.

• Анизотропность — это зависимость физических свойств вещества (механических, тепловых, электрических, оптических и др.) от направления. Например, тепловое расширение монокристалла в разных направлениях разное.

Большинство твердых тел, встречающихся в природе и получаемых на производстве, состоит из маленьких беспорядочно ориентированных монокристаллов. Такие твердые тела называются поликристаллами:

• Поликристаллы возникают в результате роста и соединения многочисленных монокристаллов, хаотично ориентированных в пространстве.

• Изотропностью называется независимость физических свойств от направления. Например, тепловое расширение поликристалла, можно сказать, во всех направлениях одинаково.

Виды кристаллической решетки. В зависимости от вида химической связи и взаимодействия между частицами, расположенными в узлах кристаллической решетки, существуют четыре вида кристаллических решеток. Это металлическая, атомная, ионная и молекулярная кристаллическая решетка.

Металлическая решетка. В узлах металлической решетки находятся положительные ионы металла. Такие кристаллы возникают в результате взаимодействия между атомами одного вида металла с очень маленькой энергией ионизации. Внешние валентные электроны в атомах металлов очень слабо связаны с ядром. При переходе в твердое состояние атомы располагаются настолько близко друг к другу, что валентные электроны покидают свой атом и становятся свободными внутри кристалла.

Освобожденные валентные электроны в виде электронного газа беспорядочно движутся между положительными ионами кристаллической решетки и, связывая их, образуют металлическую связь (с). Концентрация свободных электронов в металле равна концентрации ионов.

Атомная решетка. В узлах атомной решетки находятся нейтральные атомы. Ковалентная связь между атомами возникает за счет электронной пары их валентных электронов. Ковалентная связь характерна для кристаллов элементов. Как пример таких кристаллов можно привести кремний, германий и другие. Атомы этих элементов на внешнем электронном уровне имеют четыре валентных электрона. Каждый электрон такого атома образует ковалентную связь с одним из электронов соседнего атома, в результате образуются четыре ковалентные связи. Таким образом, атом, присоединив к себе четыре электрона, приобретает устойчивую электронную конфигурацию восьмиэлектронного инертного газа В ковалентной связи движение электронов имеет направленный характер, то есть каждый электрон движется вокруг ядер четырех атомов (d).

Ионная решетка. В узлах ионной решетки находятся положительные и отрицательные ионы. Ионная связь возникает из-за обмена электронами в результате взаимодействия двух разных атомов с малой и большой энергией ионизации. Кулоновская сила притяжения между ионами противоположных знаков удерживает их в узлах кристаллической решетки. Как образец такого вида вещества можно привести кристаллическую решетку соединения водорода с щелочным металлом, например, NaCl (е).

Молекулярная решетка. В узлах молекулярной кристаллической решетки находятся молекулы. Молекулы, располагаясь в определенном порядке, создают друг с другом межмолекулярную связь. Находящиеся в газообразном состоянии водород, хлор, четырехоксидный углерод в твердом состоянии образуют молекулярную решетку. У кристаллов такого типа связь между молекулами очень слабая, поэтому она разрушается при низких температурах, то есть вещество плавится. Это можно ясно видеть на модели кристалла льда (f). Из модели видно, что каждый атом кислорода окружен четырьмя атомами водорода. Атомы водорода играют связывающую роль между атомами кислорода. При нагревании льда его кристаллическая решетка быстро разрушается.

Аморфные тела. Аморфные тела характеризуются отсутствием дальнего порядка в расположении частиц. Так как этот порядок выполняется только для соседних частиц, то говорят, что аморфные тела — это твердые тела, частицы которых обладают ближним порядком расположения. Высококонцентрированные жидкости (вязкие жидкости) можно отнести к твердым аморфным телам.

Вещества могут переходить из аморфного состояния в кристаллическое и обратно. Например, если сначала расплавить кристалл сахара, а затем охладить его, он превращается в аморфный леденец («стеклянную» конфету). С течением времени на поверхности леденца снова начинают возникать кристаллы сахара.

Плавление и отвердевание, сублимация и десублимация.

• Процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением, а процесс перехода из жидкого состояния в твердое — отвердеванием, или кристаллизацией.

• Температура, при которой данный кристалл плавится, называется температурой плавления, или точкой плавления.

Опыты показывают, что для плавления тела не достаточно нагреть его до температуры плавления, а необходимо продолжать передачу количества теплоты. Однако несмотря на нагревание, температура плавящегося кристалла не увеличивается. Только после того, как кристалл полностью расплавится, передаваемое ему количество теплоты приводит к увеличению температуры полученной жидкости (g). Участок АВ графика плавления кристаллического тела соответствует нагреванию твердого тела до температуры плавления; участок ВС графика соответствует процессу плавления, в это время тело находится как в твердом, так и жидком состоянии; участок CD графика соответствует процессу нагревания жидкости (см: g). Согласно закону сохранения энергии, отвердевание данной жидкости происходит при той же температуре, при которой твердое тело плавится (h).

Так как для аморфных тел отсутствует определенная температура плавления и отвердевания, то их графики зависимости температуры от времени для процесса плавления и отвердевания отличаются от соответствующих графиков кристаллических тел (i).

• Количество теплоты, необходимое для перехода тела из твердого состояния в жидкое при температуре плавления, называется теплотой плавления.

Чтобы перевести одинаковые массы разных веществ, нагретых до их температур плавления, в жидкое состояние, необходимо сообщить каждому из них различное количество теплоты.

— удельная теплота плавления данного вещества. Единица удельной теплоты плавления в СИ:

Согласно закону сохранения энергии, полученное телом количество теплоты во время плавления равно количеству теплоты, выделяемому при отвердевании этого тела. Иногда твердые тела, минуя жидкое состояние, сразу переходят в газообразное или наоборот, происходит процесс превращения из газообразного состояния сразу в твердое:

• Процесс перехода твердого тела, минуя жидкое состояние, в газообразное состояние называется сублимацией (испарение твердого тела), а обратный процесс перехода газообразного вещества, минуя жидкое состояние, в твердое называется десублимацией.

Строение и свойства твёрдых тел

В повседневной жизни мы считаем твёрдым любое тело, сохраняющее форму и объём в отсутствие внешних воздействий, например, тела, изготовленные из металлов, пластмассы, льда, стекла. Твёрдые тела делят на две группы, различающиеся по своим свойствам: кристаллические и аморфные. Чем же отличаются кристаллические твёрдые тела от аморфных?

Кристаллы. К кристаллическим телам относят минералы, например поваренную соль, медный купорос, кварц, квасцы (рис. 40), горный хрусталь и металлы в твёрдом состоянии.

Кристаллы — твёрдые тела, атомы, ионы или молекулы которых совершают тепловые колебания около определённых, упорядоченных в пространстве положений равновесия.

Упорядоченное размещение частиц твёрдого кристаллического тела обусловливает его правильную геометрическую форму, вследствие чего поверхность кристалла образована плоскими гранями (рис. 41).

Частицы кристалла удерживаются на определённом усреднённом расстоянии друг от друга силами межатомного и межмолекулярного взаимодействий. Несмотря на тепловые колебания, они образуют упорядоченную пространственную структуру. Геометрическим образом этой структуры является кристаллическая решётка. Узлы кристаллической решётки — положения устойчивого равновесия колеблющихся частиц (ионов, атомов или молекул), образующих кристалл.

Основой строения кристалла служит так называемая элементарная кристаллическая ячейка — многогранник наименьших размеров, последовательным переносом без изменения ориентации которого вместе с частицами, находящимися внутри этого многогранника, можно построить весь кристалл.

На рисунках 42 представлены самые простые элементарные ячейки: кубические (а — примитивная, б — объёмно-центрированная, в — гранецентрированная) и гексагональная призма (г).

В кристаллических телах упорядоченное размещение частиц повторяется во всём объёме кристалла, поэтому говорят, что в кристалле существует дальний порядок в расположении частиц.

Интересно знать

Чтобы понять, почему в кристаллических телах упорядоченное размещение частиц, проделаем опыт. Насыплем на вогнутое стекло одинаковые маленькие шарики (рис. 43, а) и слегка встряхнём их несколько раз. Можно увидеть, что шарики разместятся в строгом порядке (рис. 43, б). Шарики располагаются на стекле в самом низком из возможных положений, что соответствует минимуму их потенциальной энергии в гравитационном поле Земли.

Кристаллическая структура так же связана с минимумом потенциальной энергии, т. е. при образовании кристаллов частицы самопроизвольно располагаются так, чтобы потенциальная энергия их взаимодействия была минимальной.

Типы кристаллов. В зависимости от вида частиц, образующих кристалл, и от характера сил взаимодействия между ними различают четыре основных типа кристаллов.

Типичным примером ионного кристалла является кристалл хлорида натрия NaCl (рис. 44, а, б). Кристаллы с ионной решёткой тугоплавки и обладают высокой твёрдостью.

Примерами атомных кристаллов могут служить алмаз и графит. Эти кристаллы тождественны по химической природе (они состоят из атомов углерода), но отличаются по своему строению (рис. 45). В кристаллической решётке алмаза каждый атом углерода находится в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома, и прочно связан с этими атомами посредством объединения валентных электронов (рис. 45, а). Именно такой жёсткой связью и обусловлена уникальная твёрдость алмаза. Кристаллическая решётка графита имеет слоистую структуру (рис. 45, б). Атомные слои графита слабо связаны друг с другом, так как расстояние между ними в несколько раз больше, чем расстояние между соседними атомами в одном слое. Это приводит к тому, что слои могут легко отделяться друг от друга, чем и объясняется мягкость и крохкость графита.

Примерами металлической кристаллической решётки являются полоний Ро (см. рис. 46, а), железо Fe (см. рис. 46, б), серебро Ag (см. рис. 46, в), магний Mg (см. рис. 46, г).

Молекулярные кристаллы образуют большинство простых веществ неметаллов в твёрдом состоянии, например под (рис. 46, а), водород кислород и их соединения друг с другом (лёд ) (рис. 46, б), а также практически все твёрдые органические вещества.

Монокристаллы и поликристаллы. Существуют одиночные кристаллы, называемые монокристаллами, которые могут иметь довольно большие размеры. Примерами могут служить кристаллы горного хрусталя, размеры которых иногда соизмеримы с ростом человека.

Монокристаллы — твёрдые тела, имеющие во всём объёме единую кристаллическую решётку.

Характерной особенностью монокристаллов является их анизотропия, т. е. зависимость физических свойств (механических, тепловых, электрических, оптических) от направления внутри кристалла. Анизотропия монокристаллов обусловлена различием в плотности расположения частиц в кристаллической решётке по разным направлениям. На рисунке 47 показано, что расстояния между атомными плоскостями в кристалле неодинаковы Поэтому, в частности, отличаться будут и силы, необходимые для его разрыва Например, кусок слюды достаточно легко расслоить в одном из направлений на тонкие пластинки, но для того, чтобы разорвать его в направлении, перпендикулярном пластинкам, потребуются гораздо большие усилия.

Интересно знать

Анизотропия свойственна некоторым материалам биологического происхождения. Например, костным и мышечным тканям человека и животных, древесине и листьям, траве и др.

Большинство кристаллических твёрдых тел являются поликристаллами.

Поликристаллы — твёрдые тела, состоящие из большого числа сросшихся между собой маленьких кристаллов.

В отличие от монокристаллов поликристаллы изотропны, т. е. их свойства одинаковы по всем направлениям. Это следствие того, что поликристалл состоит из большого количества беспорядочно ориентированных маленьких монокристаллов.

Вы сами можете в домашних условиях вырастить монокристаллы (рис. 48, а) и поликристаллы (рис. 48, б) медного купороса (сульфата меди(II) ).

Кристаллические тела имеют определённую температуру плавления не изменяющуюся в процессе плавления при постоянном давлении. Зависимость температуры кристаллического тела от полученного им количества теплоты представлена на рисунке 49, график 1.

Аморфные тела. К аморфным (от греч. amorphous — бесформенный) телам относят опал, обсидиан, эбонит, сургуч (рис. 50), стекло, различные пластмассы, смолы (вар, канифоль, янтарь) и др.

Аморфное состояние — твёрдое некристаллическое состояние вещества, характеризующееся изотропией свойств и отсутствием определённой температуры плавления.

Зависимость температуры аморфного тела от полученного им количества теплоты представлена на рисунке 49, график 2. При повышении температуры аморфное вещество размягчается и постепенно переходит в жидкое состояние. В аморфном состоянии вещество не имеет строгого порядка в расположении атомов и молекул. Аморфное состояние — бесформенное состояние со слабо выраженной текучестью.

Аморфные тела называют переохлаждёнными жидкостями, так как у них, как и у жидкостей, существует только ближний порядок расположения частиц.

На рисунках 51 схематически представлено строение кристаллического кварца (рис. 51, а) и аморфного кварца (рис. 51, б).

Аморфные тела при определённых условиях могут кристаллизоваться. Сахар-песок является кристаллическим телом (рис. 52, а). Если его расплавить, то, застывая, он превращается в прозрачный стеклообразный леденец (рис. 52, б), который является аморфным телом. Через некоторый промежуток времени леденец «засахаривается», т. е. опять становится кристаллическим.

При скоростях охлаждения, превышающих миллион градусов в секунду, удалось получить аморфные металлические сплавы — стеклообразные металлы. Аморфный металл чрезвычайно твёрд и прочен. Его используют как режущий инструмент. Он обладает сильновыраженными магнитными свойствами, поэтому незаменим при изготовлении магнитных головок для звуко- и видеозаписи. Кроме того, аморфные металлы обладают высокой антикоррозийной стойкостью.

Интересно знать

Стекло обладает текучестью даже при нормальных условиях, хотя и течёт крайне медленно. В старинных зданиях, где окна не меняли достаточно долго, можно заметить постепенное утолщение стёкол книзу.

Строение и свойства твердых тел. Анизотропия кристаллов. Жидкие кристаллы

Большинство веществ на поверхности земли находятся в твердом состоянии. Парта, за которой вы работаете, карандаш, который держите в руке, кости вашей руки и т. д. — это все твердые тела. разговор о том, как расположены молекулы в твердых телах и какими свойствами обладают твердые тела в результате такого расположения.

Аморфные, — значит, не имеющие формы? Так ли это?

Вы уже знаете, что по структуре аморфные тела очень близки к жидкостям. Молекулы, атомы, ионы аморфных тел в целом расположены хаотично, и только внутри небольших локальных групп, содержащих всего несколько частиц, они расположены в определенном порядке (ближний порядок). Физические свойства аморфных тел (теплопроводность, электропроводность, прочность, оптические свойства и т. д.) одинаковы во всех направлениях — аморфные тела изотропны.

Изотропия (от греч. isos — равный и tropos — направление, свойство) — независимость физических свойств от направления, выбранного в теле.

Примерами аморфных тел могут быть стекло, различные затвердевшие смолы (янтарь), пластики и т. д. Аморфные тела определенное время сохраняют свою форму, однако при продолжительном воздействии они текут. Если аморфное тело нагревать, то оно размягчается постепенно и его переход в жидкое состояние занимает значительный интервал температур.

Что такое полиморфизм

В кристаллических телах частицы вещества (атомы, молекулы, ионы) расположены в строго определенном порядке. Если соединить центры положений равновесия частиц кристаллического тела, то получится правильная пространственная решетка, которую называют кристаллической. Доказано, что существует 230 типов кристаллических решеток.

Например, в кристалле полония ионы Полония расположены в вершинах куба, образуя простую кубическую решетку (рис. 34.1, а). Ионы чистого Феррума при комнатной температуре размещены в вершинах куба, кроме того, один ион расположен в центре куба — это объемноцентрированная кубическая решетка (рис. 34.1, б).

Если нагреть железо до 906 °С, то расположение ионов Феррума резко изменится — решетка перестроится. Центральные ионы сместятся, а в середине каждой грани куба появится дополнительный ион — это гранецентрированная кубическая решетка (рис. 34.1, в). В такой решетке частицы упакованы более плотно, чем в объемноцентрированной. Плотная упаковка наблюдается также в гексагональной решетке (рис. 34.1, г).

Обратите внимание! Частицы в кристаллах плотно упакованы, расстояния между их центрами примерно равны размеру частиц (электронные облака частиц соприкасаются), а вот в изображении кристаллических решеток часто указывают только положения равновесия частиц. Многие кристаллические вещества имеют одинаковый химический состав, однако из-за различной структуры кристаллической решетки отличаются своими физическими свойствами (рис. 34.2).

Рис. 34.2. Различные кристаллические состояния углерода: а — алмаз; б — графит

Такое явление называют полиморфизмом, а переход из одной кристаллической структуры в другую — полиморфным переходом.

Например, в производстве искусственных алмазов используют полиморфный переход графита в алмаз. Этот переход происходит при давлениях 60 тыс. — 100 тыс. атмосфер и при температурах 1800–2300 °С. И наоборот: в результате нагревания в вакууме до температуры около 1500 °С алмаз превращается в графит.

Почему монокристаллы анизотропны

Кристаллические тела могут быть монокристаллами и поликристаллами.

Монокристалл — твердое тело, частицы которого образуют единую кристаллическую решетку.

Упорядоченное расположение частиц в монокристалле является причиной того, что монокристаллы имеют плоские грани и постоянные углы между гранями (рис. 34.3); физические свойства монокристаллов зависят от выбранного в них направления.

Зависимость физических свойств кристалла от выбранного в нем направления называют анизотропией (от греч. anisos — неравный и tropos — направление, свойство).

Рис. 34.3. Природные кристаллы: а — лазурит; б — кварц

Так, механическая прочность многих кристаллов различна в разных направлениях: кусок слюды легко расслаивается на тонкие пластины в одном направлении, но его намного сложнее разломать перпендикулярно пластинам.

От направления, выбранного в кристалле, зависят его теплопроводность, электропроводность, прозрачность, линейное расширение и многие другие физические свойства. Анизотропия кристаллов обусловлена их кристаллической решеткой: в разных направлениях расстояния между частицами, образующими кристаллическую решетку, разные (рис. 34.4).

Рис. 34.4. В результате упорядоченного строения кристалла расстояния между его частицами в разных направлениях — разные

Большие монокристаллы встречаются редко. Чаще всего кристаллические твердые тела являются поликристаллическими.

Поликристаллические вещества — это вещества, состоящие из множества сросшихся хаотично ориентированных кристалликов (кристаллитов). В отличие от монокристаллов поликристаллические тела изотропны, то есть их свойства одинаковы во всех направлениях. Поликристаллическое строение твердого тела легко увидеть с помощью микроскопа. Большинство металлов, используемых человеком, — поликристаллические.

Жидкие кристаллы

Жидкий кристалл — состояние вещества, сочетающее текучесть жидкости и анизотропию кристаллов.

В жидкости частицы в целом расположены хаотически и могут свободно вращаться и перемещаться в любых направлениях; в кристаллическом твердом теле существует трехмерный дальний порядок и частицы могут только колебаться около положений равновесия. В жидком кристалле имеется определенная упорядоченность в расположении молекул (рис. 34.5), однако допускается и некоторая свобода их перемещения. Наиболее часто жидкокристаллическое состояние наблюдается у органических веществ, молекулы которых имеют удлиненную или дискообразную форму.

Рис. 34.5. некоторые типы жидких кристаллов: а — смектические (молекулы ориентированы параллельно друг другу и образуют тонкие слои); б — нематические (нитевидные молекулы направлены параллельно друг другу, но могут скользить вверх и вниз); в — холестерические (плоские длинные молекулы собраны в слои, повернутые относительно друг друга)

Зависимость оптических свойств жидких кристаллов от температуры и электрического поля обеспечила их широкое применение в дисплеях часов и калькуляторов, в персональных компьютерах, плоских телевизионных экранах; их используют в медицине (например, как индикаторы температуры) и пр. Так, угол поворота осей молекул в каждом слое холестерического жидкого кристалла зависит от температуры, а от угла поворота зависит окраска кристалла, поэтому если тонкую полимерную пленку с микрополостями, заполненными холестериком, наложить на тело, то получится цветное отображение распределения температуры.

Механические свойства твердых тел

— Нужен совет! Прогнулась балка межэтажного перекрытия.

— Вам, пожалуй, не советы и подсказки надо искать, а нормального техника-строителя, и срочно. (Из разговора в Интернете) Девушка пострадала, сорвавшись со жгута банджи-джампинга. Работа аттракциона приостановлена. (Из новостей) Разумеется, мы можем жить в доме, не имея представления о материалах, из которых он построен; можем прыгать с моста или самолета, не представляя, какова прочность жгута или строп парашюта. Но невозможно построить надежный дом, создать безопасный аттракцион без знаний механических свойств используемых материалов.

Какие существуют виды деформации

Напомним: деформация — это изменение формы и (или) размеров тела. Если после прекращения действия внешних сил тело полностью восстановило свои форму и размеры, то оно испытало упругую деформацию; если форма и размеры не восстановились, тело подверглось пластической деформации. Когда тело деформируется, отдельные его части смещаются друг относительно друга. По характеру смещения частей различают деформации растяжения (сжатия), изгиба, сдвига, кручения (см. таблицу).

Виды деформаций
	Силы, приложенные к телу, пытаются вытянуть или сжать тело, вследствие чего расстояние между слоями молекул увеличивается (деформация растяжения) или уменьшается (деформация сжатия).
	Силы, приложенные к телу, пытаются искривить (выгнуть) тело. Деформация изгиба — это одновременно деформация растяжения и деформации сжатия: выпуклая часть тела подвергается деформации растяжения (расстояние между слоями молекул увеличивается); вогнутая часть — деформации сжатия (расстояние между слоями молекул уменьшается).
	Силы, приложенные к телу, направлены противоположно друг другу и сдвигают слои тела друг относительно друга. Деформацию сдвига испытывают, например, гвозди и болты, скрепляющие части различных конструкций; ткань, которую разрезают ножницами. Сдвиг на большие углы a может привести к разрушению тела — срезу.
	Силы, приложенные к телу, создают вращательный момент относительно продольной оси тела. Смещение слоев молекул происходит неодинаково — каждый слой поворачивается на определенный угол относительно другого слоя. Деформацию кручения испытывают валы всех машин, винты, ключи, отвертки и т. д.

Что такое механическое напряжение

Когда тело деформируется, его состояние изменяется: в любом сечении тела возникают силы упругости, препятствующие разрушению; чем больше деформация, тем больше силы упругости. Состояние деформированного тела характеризуется механическим напряжением.

Механическое напряжение σ — физическая величина, которая характеризует деформированное тело и равна отношению модуля силы упругости к площади S поперечного сечения тела:

Единица механического напряжения в СИ — паскаль: [σ] = 1 Па = 1 Н/м2 (1 Pa = 1 N/m2).

Установлено, что механическое напряжение зависит от относительного удлинения тела.

Относительное удлинение ε тела — физическая величина, равная отношению удлинения ∆l к исходной длине тела:

Анализируем диаграмму напряжений

Зависимость механического напряжения от относительного удлинения устанавливают экспериментально. Образец растягивают с помощью специальной машины, постепенно увеличивая нагрузку, и строят диаграмму напряжений — график зависимости механического напряжения от относительного удлинения образца (рис. 35.2).

Опыты показывают, что при небольших деформациях (участок ОА графика) справедлив закон Гука:

При малых упругих деформациях растяжения и сжатия механическое напряжение σ прямо пропорционально относительному удлинению ε:

Коэффициент пропорциональности Е называют модулем Юнга или модулем упругости. Модуль Юнга характеризует упругие свойства материала, его определяют по диаграмме напряжений (см. рис. 35.2) и фиксируют в таблицах.

Единица модуля Юнга в СИ — паскаль: [E]=1 Па (Pa).

Модули Юнга для некоторых материалов

Изменится ли прочность

Когда стержень подвергается деформации изгиба, его средняя часть (часть около оси) не испытывает ни растяжения, ни сжатия. То есть, если ее удалить, то прочность конструкции на изгиб почти не изменится. Поэтому, например, раму велосипеда, которая преимущественно подвергается деформации изгиба, изготовляют из тонких полых металлических трубок, благодаря чему велосипед достаточно легок и остается при этом прочным. О подобной прочности «конструкций», легкости и экономии «материала» позаботилась и природа — она наделила человека и животных трубчатыми костями конечностей, а злаки — трубчатыми стеблями.

Если увеличивать нагрузку дальше, деформация начинает быстро возрастать и становится пластической (участок BC), а после достижения предела текучести образец некоторое время удлиняется даже без увеличения нагрузки (участок CD). Если нагрузку снова увеличить, образец еще немного удлинится (участок DE), напряжение в нем достигнет предела прочности , после чего образец разорвется.

Упругость, пластичность, хрупкость

Согнем стальную линейку, а затем отпустим ее — линейка полностью восстановит свою форму. А вот свинцовая пластинка так и останется согнутой. Если же попробовать согнуть пластинку из стекла, то стекло сломается даже при незначительной деформации. В зависимости от «реакции» материала на деформацию различают упругие, пластические, хрупкие материалы.

Деление материалов на упругие, пластические и хрупкие условно, ведь свойства материалов существенно зависят от влажности, температуры, скорости увеличения нагрузки и т. п. Так, свинец, являющийся пластическим при нормальных условиях, становится упругим при температуре –100 °С, упругая резина при низких температурах становится хрупкой. Глина является хрупкой в сухом состоянии и пластической — во влажном. Битум при медленном увеличении нагрузки обнаруживает пластические свойства, а при быстром увеличении нагрузки становится хрупким.

Пример №94

С вертолета, зависшего на некоторой высоте, спускают стальной трос. Какой может быть максимальная длина троса, чтобы он не оборвался под собственным весом? Предел прочности стали — 320 МПа.

Анализ физической проблемы. Выполним пояснительный рисунок. Сила упругости в любом сечении троса уравновешивает силу тяжести, которая действует на часть троса, расположенную ниже этого сечения. Очевидно, что при отсутствии дефектов трос разорвется в самом верхнем сечении.

Решение:

Трос находится в состоянии покоя, поэтому

Итак, имеем:

Плотность стали найдем в таблице плотностей. Проверим единицу, найдем значение искомой величины:

Анализ результата. Наибольшая возможная длина троса — 4,1 км. Поскольку реальные тросы имеют в десятки и сотни раз меньшую длину, они не смогут оборваться под действием собственного веса.

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Источник