|
|
6.Фазовые переходы (5). Ок учебника Тема 46 ок46 70 Испарение и конденсация Насыщенный пар Свойства насыщенного пара Тема 47 ок47
Свойства Нет кристалл.структуры
2. Ближний порядок
Изотропны
Не имеют пост. Т плавления При повышении Т – текут
При низких Т – св-ва тв.тел
При высоких Т – св-ва жидк. Анизотропия Изотропия
зависимость физических одинаковые физ.
свойств от выбранного свойства по всем
в кристалле направления направлениям
(графит, слюда) (газы, жидкости) Свойства
Правильная кристаллическая форма
2. Дальний порядок
Определенная Т плавления
Постоянство углов между ребрами Виды кристаллических решеток атомные (алмаз- ионные (NaCl)
- металлические (С) молекулярные (лёд)
ОК - 49 БЛОК -6
ТВЁРДЫЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ АМОРФНЫЕ стекло, бетон, пластмассы Монокристаллы кварц, алмаз Поликристаллы металлы,
сахар-рафинад,
поваренная соль
Н.А.Кормаков Фазовые переходы 10 класс www.kormakov.ru Страница 25 Пояснения к ОК-49 Твердое состояние вещества характеризуется наличием постоянной формы и объема. В физике под твердыми телами подразумевают вещества, которых имеется кристаллическое строение. Кристаллические тела В зависимости от структуры различают тела кристаллические и аморфные. Кристаллические тела характеризуются правильным расположением атомов, молекул и ионов, совершающих колебательное движение относительно положения равновесия. Для кристаллических тел, характерен "дальний порядок, те. правильная повторяемость положений узлов кристаллической решетки на любых расстояниях в кристалле. Кристаллические тела имеют определенную температуру плавления, неизменную при постоянном давлении. Существенным внешним признаком любого кристалла в природных условиях служит его правильная форма. Все вы видели геометрически правильные узоры, образуемые кристалликами льда на поверхности оконных стекол, и правильные формы снежинок. Легко обнаружить правильную форму кристаллов поваренной соли, горного хрусталя и др. Рассматривая отдельные кристаллы, можно убедиться, что они ограничены плоскими как бы шлифованными гранями в виде правильных многоугольников. Кристаллы одного итого вещества могут иметь различную форму, так как она зависит от условий их образования. Они могут отличаться и цветом. Известно, например, что кристаллы кварца бывают бесцветными, розовыми, черными, фиолетовыми, темно-вишневыми, золотистыми. Однако для кристаллов каждого вещества характерно постоянство углов между их ребрами и соответственно между их гранями. Так, кристаллы поваренной соли встречают в виде кубов, параллепипедов или призм и даже тел неправильной формы, но всегда в вершине каждого кристалла сходятся три ребра, образующие между собой прямые углы. Измерив, углы между всеми гранями неизвестного кристалла, можно по специальному каталогу определить, кристалл какого вещества исследуется. Основы кристаллохимического анализа, те. способа определения химического состава вещества по форме его кристаллов (по значению углов между гранями) разработал русский ученый Е.С.Федоров (Он произвел множество кристаллографических измерений и доказал что может существовать только 230 кристаллов.
Н.А.Кормаков Фазовые переходы
10 класс www.kormakov.ru Страница 26 Монокристаллы и поликристаллы Монокристаллы - это одиночные кристаллы. Таковы, например, кусочки сахара в сахарном куске, кусочки соли, кристаллы кварца, алмаза и т.д. В других случаях тела состоят из множества сросшихся между собой кристаллы. Примером может служить "морозные узоры" на окнах, узоры цинка на оцинкованном железе, сахар-рафинад, поваренная соль и пр.
Кристаллическоестроение имеют все металлы в твердом состоянии. Кристаллы некоторых из них можно увидеть даже невооруженным глазом, например, внимательно присмотревшись к излому чугуна или закаленной стали. Тело, состоящее из множества беспорядочно расположенных мелких кристаллов, называют поликристаллическим или поликристаллом. Таким образом, все металлы являются поликристаллическими веществами Анизотропия кристаллов Правильная внешняя форма не самое главное следствие упорядоченного строения кристаллов.
Главное-это зависимость физических свойств, таких как скорость распространения света, коэффициент теплопроводности, модуль упругости и др. от выбранного в кристалле направления. Такое явление называется анизотропией.(гр.слово:"анизос"-неравный,
«тропос» -направление. Тела, свойства которых одинаковы по всем направлениям, называются изотропными. Анизотропия проявляется только в монокристаллах. Рассмотрим в качестве примера строение кристалла графита. Атомы углерода в этом кристалле располагаются в плоскостях, которые находятся друг от друга на некотором определенном расстояние между атомами, расположенными водной плоскости, меньше расстояния между плоскостями значит, и силы взаимодействия между атомами, лежащими водной плоскости, больше сил взаимодействия между атомами различных плоскостей. Поэтому бросается в глаза различная механическая прочность кристалла по всем направлениям. Если попробовать сломать грифель карандаша, то нужно приложить усилие. Но когда мы пишем карандашом, то происходит расслоение графита и тонкие слои графита остаются на бумаге.
Н.А.Кормаков Фазовые переходы 10 класс www.kormakov.ru Страница 27 Рассмотрим теперь поликристалл. Каждый из монокристаллов анизотропен, но т.к. кристаллики ориентированы хаотически, тов целом поликристаллическое тело является изотропным. Изотропными являются газы, большинство жидкостей, металлы. Широкое применение в современной физике и технике получили монокристаллы. Почти все полупроводниковые приборы представляют собой монокристаллы со специально введенными примесями, сообщающими им те или иные свойства. Возникшая в последние годы новая отрасль электроники - молекулярная электроника- основывается на создании в монокристалле при его выращивании участков с различными свойствами, сочетание которых дает многие узлы электронных схем и даже целые схемы. Крупные кристаллы в природе встречаются очень редко. Потребность промышленности, науки и технике в кристаллах велика, они находят широкое применение в радиотехнике, оптике и др. Например, кристаллы рубина используются в квантовых генераторах света - лазерах, с помощью кристаллов сегнетовой соли получают ультразвуковые колебания. В настоящее время искусственно изготавливаются монокристаллы многих веществ кварца, алмаза, корунда, рубина и др. Чтобы вырастить кристаллы, нужны особые условия. Например, для получения алмаза требуется давление 10 4 МПА и температура 2000 С. Аморфные тела. Аморфные тела не обладают кристаллической структурой. По своему строению аморфные тела близки к жидкостям. Отличаясь от них лишь меньшими расстояниями между молекулами и большими силами молекулярного притяжения. Аморфные тела не обладают определенной температурой плавления, а переходят в жидкое состояние путем постепенного размягчения. Аморфные тела - изотропны. При низкой температуре аморфные тела напоминают по своим свойствам твердые тела. Но по мере повышения температуры постепенно размягчаются и их свойства приближаются к свойствам жидкостей. Если рассматривать некоторый атом аморфного тела как центральный, то ближайшие к нему атомы будут располагаться в определенном порядке, но по мере удаления от "центрального" атома этот порядок нарушается, и расположение атомов будет различным, те. случайным. Н.А.Кормаков Фазовые переходы 10 класс www.kormakov.ru Страница 28 В аморфных телах в отличие от кристаллических существует "ближний порядок" во взаимном расположении соседних атомов. К аморфным телам откосятся стекло, пластмассы, бетон, смолы и т.д. В таблицах температур плавления различных веществ вы не найдете температур плавления этих веществ. Резкое отличие механических свойств аморфного и кристаллического тела например, графита и алмаза) объясняется тем, что их кристаллические решетки имеют разнос строение, а силы сцепления между молекулами зависят от взаимного расположения молекул. При медленном охлаждении жидкого металла образуется кристаллическая структура при мгновенном охлаждении - аморфная. Типы кристаллических решеток В тех случаях, когда температура тела такова, что средняя кинетическая энергия составляющих его атомов (молекул) меньше потенциальной энергии их взаимодействия, образуются кристаллы. Кристаллом называют однородное тело, в котором атомы или молекулы расположены в пространстве упорядоченно. В кристаллических телах расположение атомов соответствует минимальному значению потенциальной энергии. Это является условием устойчивого равновесия. В зависимости от характера сил взаимодействия и природы частиц, находящихся в узлах кристаллической решетки, различают четыре типа кристаллических решеток. А.Атомные кристаллы. В узлах кристаллической решетки находятся нейтральные атомы. Между ними существует связь, имеющая электрический характер. Эта связь осуществляется электронными парами, причем от каждого атома в ней участвует только по одному электрону. Число связей определяется его валентностью. Вещества с атомной кристаллической решеткой наиболее прочны, отличаются большой твердостью и тугоплавкостью. Примерами атомных кристаллов являются алмаз, графит, германий и кремний. Б. Ионные кристаллы. В узлах кристаллической решетки этих кристаллов находятся ионы разных знаков. Связь между ними обусловлена электрическими силами взаимодействия между разноименными ионами. Кристаллы с ионной решеткой обладают значительной прочностью. Примером ионной решетки служит кристалл каменной соли NaCl.
Н.А.Кормаков Фазовые переходы
10 класс www.kormakov.ru Страница 29
В.Металлические кристаллы. В узлах кристаллической решетки находятся положительные ионы металла, между которыми движутся свободные электроны, образующие электронный газ. Связь в металлических кристаллах обеспечивается силами притяжения между положительными ионами, находящимися в узлах решетки, и отрицательным электронным газом. Эти силы притяжения уравновешиваются силами отталкивания, действующими между одноименными ионами. При этом наблюдается устойчивая конфигурация. Наличие свободных электронов в металле обеспечивает хорошую электропроводность и теплопроводность этих веществ.
Г.Молекулярные кристаллы. В узлах кристаллической решетки помещаются молекулы, ориентированные определенным образом. Между молекулами действуют силы притяжения, характерные для взаимодействия молекул. К молекулярным кристаллам относятся нафталин, парафин, сухой лед, лед.
Н.А.Кормаков Фазовые переходы
10 класс www.kormakov.ru Страница 30
ДЕФОРМАЦИЯ
- изменение формы и объёма тела под действием внешних сил Виды деформаций растяжение сжатие сдвиг кручение изгиб сжатие растяжение Тросы, Канаты, Цепи Колонны, Заклепки, Фундамент Болты,
Заклёпки, если угол большой, то срез Гайки, Валы, оси Нейтральный слой экономия металла) Прогиб зависит
отсечения. чемпион Закон Гука (1660г.-экспериментально!)
F
l
0
l
0
∆𝑙
l
1/S
∆𝑙
1/E
- при малых деформациях механическое напряжение
прямо пропорционально относительному удлинению
3.Диаграмма растяжений
𝝈
𝛔
п
–(ОА)
– упругая деформация пр Е закон Гука выполняется
𝛔
уп
– (АВ) –
𝛔 непропорционально 𝜺
т с д K т – (Д) материал течет 𝛔
уп в если участок значителен, то материалы
п А пластичные (медь, золото,пластилин),
если (сд) отсутствует - хрупкий материал
(бетон,кирпич,чугун)
О
𝜺
𝛔
пр
-(т.Е) предел прочности-разрушение
ОК - 50 БЛОК -6
∆𝒍 =
𝑭 𝒍
𝟎
𝑬 𝑺
𝑭
𝑺
=
∆𝒍 𝑬
𝒍
𝟎
𝝈 =
𝑭
𝑺
− механическое напряжение
𝜺 =
∆𝒍
𝒍
− отн. удлинение = 𝜺 𝑬
Н.А.Кормаков Фазовые переходы
10 класс www.kormakov.ru Страница 31 Пояснения к ОК-50 Поведение кристаллической решетки при внешнем воздействии Каждая частица в кристалле (молекула, атом или ион) находится в определенном положении равновесия, в котором силы отталкивания и притяжения, действующие на нее со стороны других частиц, составляющих кристалл, равны. Но если какая-то внешняя сила (или другое внешнее воздействие типа нагревания или охлаждения) сдвинет частицу немного в сторону от ее положения равновесия, то сразу же какая-либо из этих сил превысит остальные. Если, например, тело растягивать, то расстояния между частицами кристалла увеличиваются при этом силы притяжения начинают превышать силы отталкивания и стремятся вернуть частицы в прежнее положение равновесия рис. Наоборот, если тело сжимать и тем самым сближать атомы или молекулы кристалла, то начнут преобладать силы отталкивания, стремящиеся вернуть частицы в первоначальное положение равновесия рис Наблюдать и непосредственно измерять силы, действующие на отдельные молекулы, атомы или ионы, нельзя. Но если внешние силы смещают конечную часть тела, изменяя его форму и размеры (те. вызывая деформацию тела, то и противодействующие им внутренние силы (известные как силы упругости) будут действовать на туже часть тела, стремясь ликвидировать вызванное внешними силами изменение его формы или размеров. При расчете конструкций машин, станков, различных сооружений, при обработке различных материалов важно знать, как будет деформироваться таили иная деталь под действием сил, при каких условиях ее деформация не будет влиять на работу машины в целом, при каких нагрузках наступит разрушение детали и т.д. Изучением этих важных для техники вопросов занимаются многие технические науки сопротивление материалов, детали машин и механизмов,материаловедениеи т.д. Рассмотрим лишь некоторые основы учения о деформациях тел.
Н.А.Кормаков Фазовые переходы 10 класс www.kormakov.ru Страница 32 Виды деформаций Недеформируемых тел в природе не существует. В тоже время часто приходится иметь дело со столь малыми деформациями, что их трудно обнаружить. Например, если наступить на кирпич, то его высота уменьшиться примерно на см. При такой деформации соседние атомы сближаются примерно на 2*10 -14 см Среди деформаций, возникающих в твердых телах, можно выделить пять ОСНОВНЫХ видов растяжение, сжатие, сдвиг, кручение и изгиб. Для демонстрации этих видов деформаций можно воспользоваться моделью, состоящей из нескольких деревянных пластин, скрепленных пружинами (рис.3).Каждая пластина изображает слой атомов (молекул) в кристаллической решетке, пружины моделируют действие сил связи. а.растяжение (сжатие) При деформации сжатия (рис) и растяжения (рис) пластины остаются параллельными друг к другу и расстояния между каждой рис парой соседних пластин изменяется на одну и туже величину.
Рис Такого вида деформацию испытывают тросы, канаты, цепи в подъемных устройствах, стяжки между вагонами, струны музыкальных инструментов. Сжатию подвергаются колонны, стены и фундаменты зданий.
б.деформация сдвига. Деформацию сдвига можно получить, смещая верхнюю пластину параллельно самой себе и удерживая нижнюю неподвижной. При этом все пластины сместятся так, что расстояния между ними останутся неизменными. Рис
(рис.6).При деформации сдвига не происходит изменение объема тела. Деформацию сдвига испытывают заклепки и болты, соединяющие металлические конструкции. Сдвиг на большие углы может привести к разрушению тела - срезу. Срез происходит при работе ножниц, зубила, зубьев пилы.
Н.А.Кормаков Фазовые переходы 10 класс www.kormakov.ru Страница 33 в.деформация кручения. Деформацию кручения можно наблюдать при повороте верхней пластины модели вокруг вертикальной оси (рис.7).При этом расстояния между платинами не меняются, но точки пластин, ранее лежавшие на одной прямой, смещаются в сторону друг от друга. Рис Деформации кручения возникают при завинчивании гаек, при работе валов машин, при сверлении и т.п.
г.деформация изгиба. Деформацию изгиба можно наблюдать, закрепив один конец балки, а к другому подвесив груз (рис. Или изгиб можно смоделировать с помощью стержня, один конец которого закреплена на другой рис действует сила (рис.8),или с помощью стержня, оба конца которого закреплены, а нагрузка приложена к его середине (рис. При изгибе выпуклые части тел всегда растягиваются, а вогнутые - сжимаются, те. деформация изгиба сводится к деформациям рис растяжения и сжатия, причем средние слои стержня практически не деформируются. Таким образом, наличие среднего (нейтрального) слоя практически не влияет на сопротивляемость тела изгибу и его можно выбросить и таким образом уменьшить массу тела. Замена сплошных стержней и брусков трубами и балками, у которых частично удален средний слой, дает экономию материала и значительно снижает массу конструкций без ухудшения их механических свойств. В результате длительной эволюции кости животных, птиц и человека приобрели трубчатое строение. Такое же строение имеют также и стебли некоторых растений (бамбук, тростники др. Прогиб балки зависит от формы сечения балки. Однако "чемпионом" станет балка в виде трубы. Например, трубка с внешним радиусом
Н=1,2см и внутренним h = см прогибается также, как сплошной брусок квадратного сечения со стороной а=2см. А ведь количество материала, пошедшее на такую трубку в 1,5 раза меньше, чем на брусок той же длины. На многих деталях машин, например, кузов автомобиля, делают ребра жесткости. Из рассмотренных деформаций основными являются растяжение и сдвига две другие - кручение и изгиб - сводятся к ним. В большинстве случаев на практике наблюдаются комбинации этих простейших видов деформаций и разделение их чисто условное.
Н.А.Кормаков Фазовые переходы
10 класс www.kormakov.ru Страница 34 Механические свойства твердых тел. Закон Гука При действии внешней силы (деформирующей силы) тело удлиняется на величину Δl, которую называют абсолютным удлинением. Изменяя деформирующую силу можно обнаружить прямо пропорциональную зависимость между абсолютным удлинением и деформирующей силой
∆𝑙 Если повторить опыты с упругими телами разной длины, то можно обнаружить прямо пропорциональную зависимость между абсолютным удлинением и первоначальной длиной
∆𝑙 Теперь можно взять тела такой же длины, но сложенными вдвое, втрое, что равносильно увеличению площади поперечного сечения вили раза. При этом можно обнаружить обратно пропорциональную зависимость между абсолютным удлинением и площадью поперечного сечения
∆𝑙 И наконец, осталось провести опыты стелами из разного материала при прочих равных условиях, и обнаружить зависимость между абсолютным удлинением и величиной характеризующей упругие свойства материала. Эту величину называют модулем Юнга (Е.
∆𝑙 Объединив результаты проделанных опытов, можно записать
∆𝑙 Для перехода от знака пропорциональности к знаку равенства надо ввести коэффициент пропорциональности. Однако, если для измерения всех величин, входящих в формулу, мы будем применять единицы одной и той же системы, то этот коэффициент будет равен единицы и можно тогда записать
∆𝒍 = Эта зависимость была установлена в г. английским физиком Р.Гуком и носит название закона Гука.
Н.А.Кормаков Фазовые переходы 10 класс www.kormakov.ru Страница 35 Деформации, подчиняющиеся закону Гука, называются упругими. Характерным признаком упругих деформаций является то, что после снятия нагрузки тело через некоторое время восстанавливает свою первоначальную форму и размеры. Такого типа деформации испытывают резиновые шнуры, пружины, стальные шарики при столкновении. Деформации, которые не исчезают после прекращения действия внешних сил, называются пластическими. Пластическую деформацию испытывают пластилин, глина, воск, свинец. Сущность упругих и неупругих деформаций твердого тела объяснить следующим образом. В случае упругой деформации происходит незначительное изменение формы элементарных ячеек кристалла (рис. При этом изменение расстояний между узлами таково, что оно не приводит к нарушению равновесия сил взаимодействия. частиц в кристалле. Каждая частица решетки остается в окружении прежних риc.10 своих "соседей".Изменение расстояний между частицами приводит к возникновению сил упругости, восстанавливающей первоначальную форму и размеры тела после снятия нагрузки. При неупругой деформации происходит значительное искажение элементарных ячеек, одни ячейки скользят относительно других. Нарушается связь между частицами. Так как величины |
|
|
Скачать 2.09 Mb.