Строение и свойства твёрдых тел в физике. Твердые тела и некоторые их свойства Твердые тела
 Скачать 0.98 Mb.
|
|
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).
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, то стекло сломается даже при незначительной деформации. В зависимости от «реакции» материала на деформацию различают упругие, пластические, хрупкие материалы.
| ||||||||||||||||
