ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.01.2024
Просмотров: 43
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Строение и свойства твёрдых тел в физике - формулы и определение с примерами
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.
В результате упорядоченного расположения частиц монокристалл имеет симметричную геометрическую форму, ограниченную плоскими поверхностями (а). Основное свойство монокристаллов - их анизотропность:
• 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.
Все металлы, можно сказать, поликристаллы. Например, если внимательно посмотреть на свежий разлом чугуна, то видно, что он состоит из многочисленных кристаллических зерен, не имеющих правильную форму и направленных в разные стороны (b). Каждое кристаллическое зерно поликристалла в отдельности - анизотропно, однако, ввиду того, что эти зерна расположены беспорядочно, поликристалл в целом изотропен:
• 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.
Атомная решетка. В узлах атомной решетки находятся нейтральные атомы.
Ионная решетка. В узлах ионной решетки находятся положительные и отрицательные ионы.
Молекулярная решетка. В узлах молекулярной кристаллической решетки находятся молекулы.
Аморфные тела. Аморфные тела характеризуются отсутствием дальнего порядка в расположении частиц.
• Аморфные тела - это твердые тела, частички которых не упорядочены в пространстве, и физические свойства внутри по всем направлениям одинаковы - они изотропны. У аморфных тел нет определенной температуры плавления, то есть по мере нагревания они смягчаются и превращаются в жидкость.
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.
Плавление кристаллического тела происходит при определенной температуре — температуре плавления, например, температура плавления вольфрама 3410°С, льда 0°С, ртути - 39°С.
• Температура, при которой данный кристалл плавится, называется температурой плавления, или точкой плавления.
• 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 - это физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо сообщить 1 кг кристаллического вещества, чтобы перевести его из твердого состояния в жидкое при температуре плавления:
— 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
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.
Типы кристаллов. В зависимости от вида частиц, образующих кристалл, и от характера сил взаимодействия между ними различают четыре основных типа кристаллов.
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.
Поликристаллы — твёрдые тела, состоящие из большого числа сросшихся между собой маленьких кристаллов.
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.
Строение и свойства твердых тел. Анизотропия кристаллов. Жидкие кристаллы
Монокристалл — твердое тело, частицы которого образуют единую кристаллическую решетку.
Зависимость физических свойств кристалла от выбранного в нем направления называют анизотропией (от греч. anisos — неравный и tropos — направление, свойство).
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.
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:
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
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