Свойства твердых тел

II. Молекулярная физика

Свойства твердых тел

Твердое тело имеет собственную форму, не растекается по объему и не принимает его форму. На микроскопическом уровне атомы прикрепляются друг к другу химическими связями, и их положение друг относительно друга фиксировано. При этом они могут образовывать как жесткие упорядоченные структуры — кристаллические решетки.

Кристаллическое тело может состоять из одного кристалла (монокристалл). Может состоять из многих «сросшихся» кристаллов (поликристаллы).

Монокристалл Поликристалл

Монокристаллы обладают анизотропией, поликристаллы изотропны. Анизотропия — различие свойств по разным направлениям. Прежде всего, бросается в глаза различная механическая прочность кристаллов по разным направлениям.

Например, кусок слюды легко расслаивается в одном из направлений на тонкие пластинки, но разорвать его в направлении, перпендикулярном пластинкам, гораздо труднее. Так же легко расслаивается в одном направлении кристалл графита.

Когда вы пишете карандашом, такое расслоение происходит непрерывно и тонкие слои графита остаются на бумаге. Многие кристаллы по-разному проводят теплоту и электрический ток в различных направлениях. От направления зависят и оптические свойства кристаллов.

Так, кристалл алмаза по-разному преломляет свет в зависимости от направления падающих на него лучей.

Молекулы (ионы, атомы), образующие кристаллическую решетку, колеблются около положения узла, отклоняясь на малые, по сравнению с расстоянием между узлами, расстояния. Чем выше температура тела, тем больше размах колебаний молекул. Кинетическая энергия молекул значительно выше потенциальной энергии их взаимодействия.

Аморфные тела

Если связанные атомы образуют беспорядочные нагромождения, получим аморфное тело (именно такова структура полимеров, которые похожи на перепутанные и слипшиеся макароны в миске). К аморфным телам относятся стекло, смола, канифоль, сахарный леденец и др.

Следует иметь в виду, что в ряде случаев одно и то же вещество в зависимости от условий его получения может находиться как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии. Так как аморфные тела могут самопроизвольно переходить в кристаллическое состояние, следует, что кристаллическая форма вещества более устойчива, чем аморфная.

Молекулы кварца: а) кристаллического, б) аморфного.

С точки зрения молекулярного строения аморфные тела следует отнести не к твердым телам — кристаллам, а к жидкостям с очень большой вязкостью.

Все аморфные тела изотропные, т.е. их физические свойства одинаковы по всем направлениям.

Молекулы аморфных тел движутся так, как движутся молекулы жидкостей, но их подвижность очень мала.

Жидкие кристаллы

Это фазовое состояние, в которое переходят некоторые вещества при определенных условиях (температура, давление, концентрация в растворе). Жидкие кристаллы обладают одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия).

По структуре представляют собой вязкие жидкости, состоящие из молекул вытянутой или дискообразной формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости.

Модель жидкого кристалла

Деформация твердого тела

Изменение линейных размеров или форм твердого тела под действием внешних сил.

Виды деформаций. Деформация растяжения или сжатия — изменение любого линейного размера тела (длины, ширины или высоты).

Деформация сдвига — перемещение всех слоев твердого тела в одном направлении параллельно некоторой плоскости сдвига. Деформация изгиба — сжатие одних частей тела при растяжении других.

Деформация кручения — поворот параллельных сечений образца вокруг некоторой оси под действием внешней силы.

Механические свойства твердых тел

Сила упругости возникает при деформации тела, обусловлена электромагнитными силами взаимодействия составляющих его частиц. При небольшом внешнем воздействии атомы выходят из состояния равновесия и стремятся вернуться в исходное положение. Сила упругости направлена противоположно деформации.

Возьмем медную проволоку длиной l и площадью поперечного сечения S. Подвесим груз, под действием силы тяжести проволока удлинится на

Абсолютное удлинение

Относительное удлинение

При деформации растяжения , при сжатии — .

Жесткость образца. Модуль Юнга.

Модуль Юнга характеризует упругие свойства вещества. Это постоянная величина, зависящая только от материала, его физического состояния. Физический смысл модуля Юнга: он численно равен напряжению, которое возникло бы в образце при относительной деформации, равной единице. Характеризует способность материала сопротивляться деформации растяжения или сжатия. Значение модуля Юнга табличное.

Механическое напряжение.

Механическим напряжением называется отношение силы упругости, возникающей в образце, к площади поперечного сечения образца

Зависимость между ? и ? является одной из важнейших характеристик механических свойств твердых тел. Графическое изображение этой зависимости называется диаграммой растяжения.

Предел пропорциональности. Существует максимальное напряжение (до точки a на диаграмме) , при котором сохраняется прямая пропорциональность между механическим напряжением и относительным удлинением

Предел упругости. Максимальное напряжение (точка b на диаграмме), при котором еще не возникают заметные остаточные деформации. При снятии внешней силы, деформирующей образец, размеры и формы возвращаются к исходным.

При дальнейшем воздействии образец после снятия напряжения уже не восстанавливает свои первоначальные размеры и у тела сохраняется остаточная деформация. Такие деформации называются пластическими (участки bc, cd и de). На участке bc деформация происходит почти без увеличения напряжения. Это явление называется текучестью материала.

В точке d достигается наибольшее напряжение, которое способен выдержать материал без разрушения (предел прочности). В точке e происходит разрушение материала.

Материалы, у которых область текучести незначительна, называются хрупкими (стекло, фарфор, чугун).

Механические свойства твердого вещества можно отобразить и на диаграмме

Закон Гука справедлив на участке 01.

Напряжение, при котором материал разрушается называется пределом прочности. При проектировании зданий нельзя допускать, чтобы механическое напряжение в элементах конструкций достигали предельных значений. Для этого вводится так называемый запас прочности или коэффициент безопасности

Значения пределов прочности веществ при различных видах деформации являются табличными.

Пластичные металлы

Одним из наиболее пластичных металлов является золото. Из него можно изготовить так называемое сусальное золото — золотую фольгу толщиной всего несколько микрон.

Источник: http://fizmat.by/kursy/molekuljarnaja/tverdoe_telo

Механические свойства твердых тел, сила упругости

Свойства твердых тел

Механические свойства твердых тел.
Твердым телом в механике называется неизменимая система материальных точек, т.е. такая идеализированная система, при любых движениях которой взаимные расстояния между материальными точками системы остаются неизменными (материальные точки — достаточно малые макроскопические частицы).Силы притяжения и отталкивания обуславливают механическую прочность твердых тел. т. е. их способность противодействовать изменению формы и объема. Растяжению тел препятствуют силы межатомного притяжения, а сжатию — силы отталкивания.Недеформируемых тел в природе не существует.Деформация — изменение формы или объема тела под действием внешних сил. Деформация может быть упругая или неупругая.Растяжение
Упругая деформация — деформация, при которой после прекращения действия силы размеры и форма тела восстанавливаются.Сдвиг 
Виды деформаций:
  1. Линейная:
    • Растяжение (тросы подъемных кранов, канатных дорог, буксирные тросы)
    • Сжатие  (колонны, стены, фундаменты зданий).   
  2. Сдвиг (заклепки, болты, соед. металлические конструкции, процесс разрезания ножницами бумаги).
  3. Кручение (завинчивание гаек, работа валов машин, сверление металлов и т.п.).
  4. Изгиб  (формально деформация растяжения и сжатия, различная в разных частях тела. Нейтральный слой — слой, не подвергающийся ни растяжению, ни сжатию, при изгибе.)
Деформацию растяжения и сжатия можно охарактеризовать абсолютной деформацией Δℓ, равной разности длин образца после растяжения ℓи до него ℓ0:  Δℓ = ℓ – ℓ0Δℓ = ℓ – ℓ0
Отношение абсолютной деформации D? к первоначальной длине образца?o  называют относительной деформацией
Если деформация упругая, а относительная деформацияИз опыта: — закон ГукаСила упругости прямо пропорциональна абсолютной деформации.С учетом направления:            k — коэффициент жесткости (упругости). Зависит от материала, формы и размеров тела (Например, чем длиннее и тоньше пружина, тем ее жесткость меньше.)Единицы коэффициента упругости в СИ: .
Движение под действием силы упругости.
     — ускорение изменяется с координатой! Это неравнопеременноедвижение. Такое движение является колебательным.
Частные случаи силы упругости:
  1. Сила реакции опоры — направлена всегда перпендикулярно поверхности.
  2. Сила натяжения (нити, сцепки) 
Физическая величина, равная отношению модуля силы упругости Fупр, возникающей при деформации, к площади сечения S образца, перпендикулярного вектору силы F. называется механическим напряжением: . За единицу механического напряжения в СИ принята единица паскаль (Па): 1 Па= 1Н/м2.
Отношение механического напряжения  к относительному удлинению ,при малых упругих деформациях растяжения и сжатия, называется модулем упругости Е (модулем Юнга): .
Из выше написанной формулы видно, что модуль Юнга Е величина не зависящая от формы и размеров предмета, изготовленных из данного материала. [Е]=Па.   Модуль Юнга показывает, какое надо создать механическое напряжение, чтобы деформировать тело в 2 раза (Если — на самом деле нереально).[Е]=Па
Если обозначить , то получим Fупр =k|Δl| — закон Гука. Другая форма записи этого закона:  s = E|ε|     — механическое напряжение прямо пропорционально модулю относительной деформации.s = E|ε|
Диаграмма растяжения-сжатияsп — предел пропорциональности (максимальное напряжение, при котором деформация еще остается упругой и выполняется закон Гука)sуп — предел упругости (максимальное напряжение, при котором еще не возникают заметные остаточные деформации, и материал еще сохраняет упругие свойства)sт — предел текучести (напряжение, при котором материал «течет»)sпч — предел прочности (наибольшее напряжение, которое способен выдержать образец без разрушения)eост- остаточная деформацияКоэффициент безопасности (предел прочности) — отношение предела пропорциональности  данного материала к максимальному напряжению, которое будет испытывать деталь конструкции в работе: .В зависимости от необходимой надежности различных деталей и конструкций коэффициент безопасности выбирают обычно в пределах от 2 до 10.

Источник: https://www.eduspb.com/node/1724

Твердые тела. Кристаллические тела. Аморфные тела — Класс!ная физика

Свойства твердых тел

Твердые тела отличаются постоянством формы и объема и делятся на кристаллические и аморфные.

Кристаллические тела

Кристаллические тела (кристаллы) — это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают упорядоченные положения в пространстве.

Частицы кристаллических тел образуют в пространстве правильную кристаллическую пространственную решетку.

Каждому химическому веществу, находящемуся в кристаллическом состоянии, соответствует определенная кристаллическая решетка, которая задает физические свойства кристалла.

Знаете ли вы?

Много лет назад в Петербурге на одном из неотапливаемых складов лежали большие запасы белых оловянных блестящих пуговиц. И вдруг они начали темнеть, терять блеск и рассыпаться в порошок. За несколько дней горы пуговиц превратились в груду серого порошка. «Оловянная чума» — так к прозвали эту «болезнь» белого олова. А это была всего лишь перестройка порядка атомов в кристаллах олова. Олово, переходя из белой разновидности в серую, рассыпается в порошок. И белое и серое олово — это кристаллы олова, но при низкой температуре изменяется их кристаллическая структура, а в результате меняются физические свойства вещества.

Кристаллы могут иметь различную форму и ограничены плоскими гранями.

В природе существуют:
а) монокристаллы — это одиночные однородные кристаллы, имеющие форму правильных многоугольников и обладающие непрерывной кристаллической решеткой

Монокристаллы поваренной соли:

б) поликристаллы — это кристаллические тела, сросшиеся из мелких, хаотически расположенных кристаллов.
Большинство твердых тел имеет поликристаллическую структуру (металлы, камни, песок, сахар).

Поликристаллы висмута:

Анизотропия кристаллов

В кристаллах наблюдается анизотропия — зависимость физических свойств (механической прочности, электропроводности, теплопроводности, преломления и поглощения света, дифракции и др.) от направления внутри кристалла.

Анизотропия наблюдается в основном в монокристаллах. В поликристаллах (например, в большом куске металла) анизотропия в обычном состоянии не проявляется. Поликристаллы состоят из большого количества мелких кристаллических зерен. Хотя каждый из них обладает анизотропией, но за счет беспорядочности их расположения поликристаллическое тело в целом утрачивает анизотропию.

Любое кристаллическое вещество плавится и кристаллизуется при строго определенной температуре плавления: железо — при 1530°,олово — при 232°, кварц — при 1713°, ртуть — при минус 38°.

Нарушить порядок расположения в кристалле частицы могут, только если он начал плавиться.

Пока есть порядок частиц, есть кристаллическая решетка — существует кристалл. Нарушился строй частиц — значит, кристалл расплавился — превратился в жидкость, или испарился — перешел в пар.

Интересно

Одно и то же вещество может встречаться и в кристаллическом и в некристаллическом виде. В жидком расплаве вещества частицы движутся совершенно беспорядочно. Если, например, расплавить сахар, то:

1. если расплав застывает медленно, спокойно, то частицы собираются в ровные ряды и образуются кристаллы. Так получается сахарный песок или кусковой сахар;

2. если остывание происходит очень быстро, то частицы не успевают построиться правильными рядами и расплав затвердевает некристаллическим. Так, если вылить расплавленный сахар в холодную воду или на очень холодное блюдце, образуется сахарный леденец, некристаллический сахар.

Удивительно!

С течением времени некристаллическое вещество может «переродиться», или, точнее, закристаллизоваться, частицы в них собираются в правильные ряды. Только срок для разных веществ различен:для сахара это несколько месяцев, а для камня — миллионы лет. Пусть леденец полежит спокойно месяца два-три.Он покроется рыхлой корочкой. Посмотрите на нее в лупу: это мелкие кристаллики сахара. В некристаллическом сахаре начался рост кристаллов. Подождите еще несколько месяцев — и уже не только корочка, но и весь леденец закристаллизуется. Даже наше обыкновенное оконное стекло может закристаллизоваться. Очень старое стекло становится иногда совершенно мутным,потому что в нем образуется масса мелких непрозрачных кристаллов. На стекольных заводах иногда в печи образуется «козел», то есть глыба кристаллического стекла. Это кристаллическое стекло очень прочное.Легче разрушить печь, чем выбить из нее упрямого «козла». Исследовав его, ученые создали новый очень прочный материал из стекла — ситалл. Это стеклокристаллический материал, полученный в результате объёмной кристаллизации стекла.

Любопытно!

Могут существовать разные кристаллические формы одного и того же вещества.

Например, углерод.

Графит — это кристаллический углерод. Из графита сделаны стержни карандашей, которые оставляют след на бумаге при легком надавливании. Структура графита слоиста. Слои графита легко сдвигаются, поэтому чешуйки графита пристают к бумаге при письме.

Но существует и другая форма кристаллического углерода — алмаз.

Так расположены атомы углерода в кристалле графита (слева) и алмаза (справа).

Алмаз — самый твердый на земле минерал.

Алмазом режут стекло и распиливают камни, применяют для бурения глубинных скважинах, полируют сверхтвердые сплавы, алмазы необходимы для производства тончайшей металлической проволоки диаметром до тысячных долей миллиметра, например, вольфрамовых нитей для электроламп.

Назад в раздел «10-11 класс»

Молекулярная физика. Термодинамика — Класс!ная физика

Основные положения МКТ. Масса и размер молекул. Количество вещества. — Взаимодействие молекул. Строение твердых тел, жидкостей и газов. — Идеальный газ. Основное уравнение МКТ. — Температура. Тепловое равновесие.

Абсолютная шкала температур. — Уравнение состояния идеального газа. — Изопроцессы. Газовые законы. — Взаимные превращения жидкостей и газов. Влажность воздуха. — Твердые тела. Кристаллические тела. Аморфные тела.

Источник: http://class-fizika.ru/10_22.html

Свойства твердых тел (стр. 1 из 2)

Свойства твердых тел

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Иркутский государственный университет путей сообщения

Реферат по физике

Свойства твердых тел

Выполнил студент

группы И-07-1-119

Налётов В.И

г. Иркутск

2009г.

Твердые тела

Отличие твердых тел (и жидкостей) от газов заключается в том, что при незначительных изменениях объема в твердых телах (и жидкостях) возникают значительные силы упругости, тогда как в газах даже при значительном изменении объема (до определенного предела) увеличения сил упругости почти не происходит. От жидкостей твердые тела отличаются тем, что силы упругости в них возникают и при изменении формы (сдвиг), чего не происходит в жидкости, способной принимать любую форму.

Твердые тела могут существовать в двух различных состояниях — кристаллическом и аморфном.

Аморфными называются тела, физические свойства которых одинаковы по всем направлениям (так называемая изотропность). Примерами аморфных тел могут служить куски затвердевшей смолы, янтарь, изделия из стекла.

Изотропность физических свойств аморфных тел объясняется беспорядочностью расположения составляющих их атомов и молекул. Кристаллическое состояние характеризуется упорядоченным расположением атомов или молекул, которые образуют периодически повторяющуюся внутреннюю структуру.

Физические свойства кристаллических тел неодинаковы в различных направлениях, но совпадают в параллельных направлениях. Это свойство кристаллов называется анизотропностью.

Причиной анизотропности является то, что при упорядоченном расположении атомов, молекул или ионов силы взаимодействия между ними и межатомные расстояния оказываются неодинаковыми по различным направлениям.

Кристаллические тела делятся на монокристаллы, у которых внутренняя структура периодически повторяется во всем их объеме, и поликристаллы, представляющие собой множество сросшихся между собой хаотически расположенных маленьких кристаллов — кристаллитов.

Частицы, составляющие кристалл, расположены в определенном порядке и на определенном расстоянии друг от друга. Совокупность узлов, т.е. точек, совпадающих с центрами атомов или молекул, составляющих кристалл, называют кристаллической решеткой данного кристалла.

Многие каркасы зданий и мостов, транспортные средства, линии электропередач и так далее сделаны из металлов, имеющих кристаллическую структуру. Поэтому большой практический интерес представляют вопросы прочности кристаллических тел.

Как выяснилось, реальная прочность кристаллов во много раз меньше расчетной из-за наличия внутренних и поверхностных дефектов в кристаллической решетке. О механических свойствах твердых тел подробнее можно прочесть в главе, посвященной механике твердого тела

Точечные дефекты возникают при замещении собственного атома чужеродным, внедрении атома в пространство между узлами решетки или при отсутствии атома в одном из узлов кристаллической решетки.

Рис. 1. Примеры точечных дефектов: а) замещение собственного атома чужеродным, Ь) внедрение атома в пространство между узлами кристаллической решетки, с) отсутствие атома в одном из узлов кристаллической решетки

Линейные дефекты возникают при нарушении в порядке расположения атомных плоскостей в кристаллах.

Рис. 3. Пример линейного дефекта в кристаллической решетке

Растворы и кристаллы

Зарождение и рост кристаллов

С миром кристаллов, чудесным и разнообразным, человек встречается на каждом шагу, например когда добавляет в чай мелкие кристаллики сахарного песка.

Поваренная соль, без которой не обходится ни одна хозяйка, также состоит из отдельных маленьких частичек, хотя в природе встречаются большие прозрачные кристаллы каменной соли NаС1, немного похожие на хрусталь.

Зимой лужи покрываются тонким слоем льда — это кристаллическая вода.

Многогранная натура кристаллов. Атомы, молекулы или ионы располагаются в кристаллических телах упорядоченно — в вершинах многогранников, а иногда в середине граней или в центре самого многогранника. Складывая вместе множество таких многогранников, можно получить кристалл в целом.

Французский ученый и морской офицер Огюст Браве (1811 — 1863) представил кристалл в виде решетки, в пересечениях прутьев которой размещаются слагающие ее частицы. Упорядоченное расположение частиц в узлах кристаллической решетки и придает кристаллу красивую, правильную и симметричную форму.

В кристаллической решетке можно перемещаться в разных направлениях: вдоль, поперек, а также по диагонали. При этом количество частиц в узлах решетки, которые встречаются на пути, окажется разным. В этом причина анизотропии (от греч. «анизос» — «неравный» и «тропос» — «направление»; зависимость свойств от направления) кристалла.

Например, значения электропроводности, показателя преломления, теплопроводности связаны с направлением, в котором они измерены.

У аморфных тел, частицы которых расположены в пространстве неупорядоченно, анизотропия отсутствует.

Как рождаются и растут кристаллы? Чтобы начался рост кристалла, необходимо прежде всего возникновение центра кристаллизации.

Как же он появляется? В совершенно прозрачном растворе, расплаве или в парах вещества протекает бурная «жизнь»: каждое мгновение частицы (ионы или молекулы) сталкиваются, и иногда при этом появляются мельчайшие зародыши будущего кристалла.

Они недолговечны и, едва возникнув, разрушаются. Но однажды два-три зародыша, случайно столкнувшись, приобретают структуру элементарной ячейки — мельчайшего кристаллика вещества. Это скопление частиц уже не разрушается и начинает расти.

Так появляется центр кристаллизации.

В его роли могут выступать и попавшие в раствор пылинки, дефекты поверхности сосуда, в котором находится раствор, либо внесенный извне кристаллик растворенного вещества. Это может быть и кристаллик другого вещества (при условии, что он обладает сходной кристаллической структурой).

Не все центры кристаллизации в конечном счете превращаются в кристаллы вещества. Крупные кристаллы продолжают расти, а более мелкие растворяются.

Совершенство формы и красота плоских граней кристаллов наводят на мысль, что эти «каменные цветы» растут слоями. Очень часто это действительно так, причем рост каждого слоя частиц начинается от центра грани кристалла.

Большое увеличение позволяет увидеть ступеньки, размеры которых уменьшаются при переходе от этажа к этажу, как кольца в детской игрушке — пирамидке.

Что произойдет, если какая-то частица вещества случайно попадет на грань мельчайшего кристалла, находящегося в пересыщенном растворе, расплаве или газе? Образовавшийся бугорок может положить начало новому слою, и весьма вероятно, что другие частицы устремятся именно сюда, обеспечивая формирование слоя и рост кристалла.

Кристалл растет быстрее, если частицы попадают на его поверхность не поодиночке, а целыми скоплениями, «толпами». Такие скопления затем разрастаются по горизонтали, покрывая поверхность кристалла, и в нем появляется новый слой частиц…

Кристаллы из вулканов и Озер. В природе кристаллы зарождаются и растут очень медленно. Все минералы и горные породы в недрах Земли образовались при кристаллизации магмы — расплавленной массы, насыщенной газами и перегретым водяным паром.

При охлаждении магмы в первую очередь выделяется вещество с наиболее высокой температурой плавления (в отличие от аморфных тел, температура плавления кристаллических веществ имеет вполне определенное значение): образуются зародыши, постепенно вырастающие в правильные многогранники.

Когда они становятся достаточно большими и начинают мешать друг другу, вместо отдельных монокристалликов образуется их конгломерат, и тогда можно говорить о поликристаллической структуре. Вещество с более низкой температурой плавления дает мелкие кристаллы: ведь часть пространства уже занята выделениями высокоплавкого компонента.

В соляных озерах вода на вкус горько-соленая: ведь в ней растворены, помимо поваренной, и другие соли. Летом, когда светит солнце, часть воды испаряется, раствор становится пересыщенным, а кристаллы солей выпадают в осадок, плавают на поверхности, оседают на любых предметах, попавших в такое озеро. Кристаллы хлорида натрия NaСl могут срастаться друг с другом.

Медленная кристаллизация в течение столетий приводит к образованию крупных кристаллов каменной соли (хлорида натрия). В пустыне Сахара сохранились развалины древнего города, возведенного из глыб этого своеобразного строительного материала. Город простоял много лет, ведь в пустыне практически не бывает дождей.

Подобные явления происходят и в природных условиях. Например, самородная сера образуется при охлаждении паров, выделяющихся из кратеров или трещин вулканов. Аналогичен «жизненный путь» многих других веществ, входящих в состав минералов.

Информация:

Химия от А до Я

Байер, Адольф-Иоганн-Фридрих-Вильгельм (1835—1917) — немецкий химик-органик, первым использовал восстановительные свойства цинка в органическом синтезе.

Бекетов, Николай Николаевич (1827— 1911) — российский физикохимик, разработал теорию водородной связи.

Бензойная кислота – органическая кислота состава С6Н5СООН.

Бензол — ароматический углеводород состава С6Н6.

Берлинская лазурь — гексацианофер-рат железа-калия КFе[Fе(СN)6].

Бертло, Пьер-Эжен-Марселен (1827— 1907) — французский химик, один из основоположников органического синтеза и термохимии; ввел понятие об экзотермических и эндотермических реакциях.

Берцелиус, Йёне-Якоб (1779-1848) -шведский химик и минералог, выдающийся экспериментатор и теоретик химии, первооткрыватель новых химических элементов и соединений.

Источник: https://mirznanii.com/a/321928/svoystva-tverdykh-tel

Свойства твердых тел

Свойства твердых тел

Твердые тела обладают рядом специфических признаков и свойств. Они определяются различными параметрами и характерными чертами.

В основе изучения этих свойств лежит познавательный процесс всего окружающего нас мира. Это входит в фундаментальные основы физики.

Исследование сегодня проводятся не только на макроуровне, но и постигаются признаки привычных нам твердых тел, из которых состоит практически все вокруг.

Рисунок 1. Основные свойства твердых тел. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Типы твердых тел

Все твердые тела делятся на два основных типа:

  • аморфные тела;
  • тела с кристаллической структурой.

Твердые тела состоят из многообразия бесконечных молекулярных связей. Без использования различных твердых тел, которые обладают отличными друг от друга специфическими свойствами невозможно сегодня представить себе развитие науки и техники. В настоящее время металлы и другие диэлектрики активно используются в электротехники, электронике различного уровня.

В основе такого оборудования лежат полупроводники, которые обладают уникальными свойствами, позволяющими совершать научно-технический прогресс ускоренными темпами. Это и различные магниты, сверхпроводники, иные новые материалы с полезными характеристиками. Поэтому изучение физики твердого тела напрямую связано с дальнейшим развитием науки и технологий.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Взаимодействие частиц порождают появление особенных свойств у твердых тел с кристаллической структурой внутреннего строения. Коллективные свойства электронов могут определять степень электропроводности различных твердых тел.

Характер коллективного колебания атомов при взаимодействии определенной температурой позволяет говорить о способности к теплоемкости. Оно возникает в том случае, когда тела могут поглощать тепло в определенных пределах.

Одни твердые тела более предрасположены к поглощению тепла и нагреваются сильнее, другие – нет.

В кристаллах внутренняя структура вещества предполагает наличие кристаллической решетки. В таких твердых телах молекулы или атомы выстраиваются совершенно определенным и упорядоченным образом в пространстве.

Кристаллы имеют плоские грани, а также строгую периодичность расположения узлов и элементов всей конструкции. По-иному устроены твердые тела аморфного типа.

Они состоят из большого и беспорядочного скопления атомов.

Кристаллические тела обладают свойствами анизотропности, что предполагает зависимость физических свойств от направления внутри кристалла. Все металлы имеют кристаллическую структуру, поэтому именно их человечество сегодня использует в качестве основного материала для строительства. Однако металлы в обычном своем состоянии не обнаруживают свойств анизотропности.

Есть случаи, когда одно и то же вещество может находиться в аморфном и кристаллическом состоянии.

Свойства аморфных тел

Аморфные твердые тела имеют признаки изотропности. Иными словами, физические свойства таких тел будут иметь одинаковые показатели по всем направления изучения. К таким телам часто относят стекло, смолу, леденцы. При определенном уровне внешних силовых воздействиях такие твердые тела преобразуются в иное состояние или приобретают иные признаки. К основным свойствам аморфных тел относят:

Упругость при этом подобно основным параметрам всех твердых тел, а текучесть имеет признаки жидкости.

Такие тела при кратковременном силовом физическом воздействии ведут себя как твердые тела, обладая упругостью. Однако при более сильных и активных воздействиях могут расколоться на части.

Если взаимодействия происходят интенсивно и на протяжении большого количества времени, тогда твердые тела подвержены текучести.

Рисунок 2. Особые свойства твердых тел. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Молекулы и атомы аморфных тел, как и в жидкостях имеют определенное время колебаний около положения равновесия. Время такого положения в отличие жидкости не такое большое, поэтому их по внутренним свойствам приближают к кристаллическим.

Атомы не перестраиваются из одного положения в другое постоянно и надолго. Состояние равновесия атомов сохраняется практически без изменений. Аморфные тела при низких температурах полностью соответствуют свойствам твердых тел.

Если температура стремится к повышению, связи на молекулярном уровне также изменяются. Эти тела приближенно напоминают свойства жидкостей.

Аморфные тела занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами и жидкостями. Их атомы или молекулы располагаются в относительном порядке. Если происходит понимание свойств указанных веществ, то можно создавать такие материалы, которые будут соответствовать определенным характеристикам и свойствам.

Пластичность и хрупкость

Существуют такие материалы, которые испытывают пластичные деформации при относительно небольшом воздействии внешних факторов. Свойства пластичности характерны для аморфных твердых тел.

Если тело способно разрушаться при небольших деформациях, тогда стоит говорить о твердых телах со свойствами хрупкости.

Это специфическое физическое свойство имеет более важное значение на практике, чем упругость и пластичность.

В качестве наиболее хрупких материалов можно привести в пример изделия из фарфора. Все знают, что посуда может разбиваться на куски во время падения с высоты.

Мрамор, чугун и янтарь также можно причислить к материалам, которые обладают довольно большой степенью хрупкости.

Остальные металлы обычно не предполагают наличия таких свойств и выдерживают серьезные нагрузки до момент деформации или разрушения.

Специалисты неохотно делят твердые тела на пластичные и упругие, поскольку это деление носит условный характер. Это означает, что один и тот же материал способен приобретать те или иные свойства исходя из внешних факторов. Один материал может обладать свойствами упругости и пластичности в зависимости от возникающих напряжений.

Также у различных материалов есть собственный предел прочности. Он возникает в момент, когда напряжение в материале значительно превышает предел упругости. В этом случае, подверженный нагрузкам предмет не принимает исходных размеров и остается в деформированном виде.

При увеличении нагрузки на твердое тело процесс деформации происходит с новой силой и быстрее. При достижении максимума в определенной точке происходит разрыв материала.

Напряжение в этот отрезок времен достигает предельного максимального значения. Деталь растягивается без увеличения внешней нагрузки до полного или частичного разрушения.

Подобная величина будет зависеть от определенного материала и качества его обработки.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/fizika_tverdogo_tela/svoystva_tverdyh_tel/

Механическое свойство твердых тел. Твердое тело. Твердые тела и их свойства

Свойства твердых тел

Твердый материал представляет одно из четырех агрегатных состояний, в котором может находиться окружающая нас материя. В данной статье рассмотрим, какие механические свойства твердым телам присущи, учитывая особенности их внутреннего строения.

Что такое твердый материал?

Пожалуй, на этот вопрос может ответить каждый человек. Кусок железа, компьютер, столовые приборы, автомобили, самолеты, камень, снег — все это примеры твердых тел.

С физической точки зрения, под твердым агрегатным состоянием материи понимается ее способность сохранять форму и объем при различных механических воздействиях.

Именно эти механические свойства твердых тел отличают их от газа, жидкости и плазмы. Заметим, что жидкость также сохраняет объем (является несжимаемой).

Головкин Гавриил Иванович (1660–1734) — сподвижник Петра Первого: краткая биография

Приведенные выше примеры твердых материалов помогут более четко представить, какую важную роль они играют для жизни человека и технологического развития общества.

Существует несколько физико-химических дисциплин, изучающих рассматриваемое агрегатное состояние вещества. Перечислим лишь самые важные из них:

  • физика твердого тела;
  • механика деформаций;
  • наука о материалах;
  • химия твердого вещества.

Структура твердых материалов

Second Conditional, правило и примеры

Канал ДНЕВНИК ПРОГРАММИСТА Жизнь программиста и интересные обзоры всего. , чтобы не пропустить новые видео.

Перед тем, как рассматривать механические свойства твердых тел, следует познакомиться с их внутренней структурой на атомном уровне.

Разнообразие твердых материалов по своей структуре велико. Тем не менее, существует универсальная классификация, в основу которой положен критерий периодичности расположения составляющих тела элементов (атомов, молекул, атомных кластеров). Согласной этой классификации все твердые вещества делятся на следующие:

  • кристаллические;
  • аморфные.

Начнем со вторых. Аморфное тело не обладает какой-либо упорядоченной структурой. Атомы или молекулы в нем расположены хаотически. Эта особенность приводит к изотропии свойств аморфных материалов, то есть свойства не зависят от направления. Самым ярким примером аморфного тела является стекло.

Кристаллические тела или кристаллы, в отличии от аморфных материалов, имеют упорядоченное в пространстве расположение структурных элементов. В микромасштабе у них можно различить кристаллические плоскости и параллельные атомные ряды. Благодаря такой структуре кристаллы являются анизотропными.

Причем анизотропия проявляется не только на механических свойствах твердых тел, но и на свойствах электрических, электромагнитных и других. Например, кристалл турмалина способен пропускать только колебания световой волны в одном направлении, что приводит к поляризации электромагнитного излучения.

Примерами кристаллов являются практически все металлические материалы.

Они чаще всего встречаются в трех кристаллических решетках: гранецентрированной и объемно центрированной кубических (ГЦК и ОЦК, соответственно) и в гексагональной плотно упакованной (ГПУ).

Еще одним примером кристаллов является знакомая всем поваренная соль. В отличие от металлов в ее узлах находятся не атомы, а анионы хлора или катионы натрия.

Упругость — главное свойство всех твердых материалов

Прилагая к твердому веществу даже самое маленькое напряжение, мы вызываем его деформацию. Иногда деформация может быть настолько маленькой, что этого можно не заметить. Тем не менее, все твердые материалы деформируются при приложении внешней нагрузки. Если после снятия этой нагрузки деформация исчезает, то говорят об упругости материала.

Яркий пример явления упругости — сжатие металлической пружины, которое описывается законом Гука. Через силу F и абсолютное растяжение (сжатие) x этот закон записывается так:

F = -k*x.

Здесь k — некоторое число.

В случае объемных металлов закон Гука принято записывать через приложенное внешнее напряжение σ, относительную деформацию ε и модуль Юнга E:

σ = E*ε.

Модуль Юнга является постоянной величиной для конкретного материала.

Особенностью упругой деформации, которая отличает ее от деформации пластической, является обратимость. Относительные изменения размеров твердых веществ при упругой деформации не превышают 1%.

Чаще всего они лежат в районе 0,2 %.

Упругие свойства твердых тел характеризуются отсутствием смещения положений структурных элементов в кристаллической решетке материала после прекращения действия внешней нагрузки.

Если внешнее механическое усилие достаточно велико, то после прекращения его действия на теле можно видеть остаточную деформацию. Она называется пластической.

Пластичность твердых веществ

Мы рассмотрели упругие свойства твердых тел. Теперь перейдем к характеристикам их пластичности. Многие знают и наблюдали, что если молотком ударить по гвоздю, то он становится сплюснутым.

Это пример пластической деформации. На атомном уровне она представляет собой сложный процесс.

Пластическая деформация не может идти в аморфных телах, поэтому стекло при ударе по нему не деформируется, а разрушается.

Твердые тела и их свойство пластически деформироваться зависит от кристаллического строения. Рассматриваемая необратимая деформация происходит за счет перемещения в объеме кристалла специальных атомных комплексов, которые называются дислокациями. Последние могут быть двух видов (краевые и винтовые).

Из всех твердых материалов наибольшей пластичностью обладают металлы, поскольку они предоставляют большое количество направленных под разными углами в пространстве плоскостей скольжения для дислокаций. Наоборот, имеющие ковалентные или ионные связи материалы будут хрупкими. К ним можно отнести драгоценные камни или упомянутую поваренную соль.

Хрупкость и вязкость

Если постоянно прилагать внешнее воздействие на любой твердый материал, то он рано или поздно разрушится. Существует два вида разрушений:

Первое характеризуется возникновением и быстрым ростом трещин. Хрупкие разрушения приводят к катастрофическим последствиям на производстве, поэтому стараются использовать материалы и условия их эксплуатации, при которых разрушение материала было бы вязким. Последнее характеризуется медленным ростом трещин и поглощением большого количества энергии до разрушения.

Для каждого материала существует температура, которая характеризует хрупко-вязкий переход. В большинстве случаев уменьшение температуры переводит разрушение из вязкой области в хрупкую.

Циклические и постоянные нагрузки

В инженерии и физике свойства твердых тел также характеризуются по типу прилагаемой к ним нагрузки. Так, постоянное циклическое воздействие на материал (например, растяжение-сжатие) описывается так называемым сопротивлением усталости. Оно показывает, сколько циклов приложения конкретной величины напряжения материал гарантированно выдержит, не разрушившись.

Усталость материала также изучают при постоянной нагрузке, измеряя скорость деформации от времени.

Твердость материалов

Одним из важных механических свойств твердых тел является твердость. Она определяет способность материала препятствовать внедрению в него инородного тела. Опытным путем определить, какое из двух тел тверже, очень просто. Необходимо лишь поцарапать одно из них другим. Алмаз — самый твердый кристалл. Он царапает любой другой материал.

Другие механические свойства

Твердые материалы обладают некоторыми другими механическими свойствами, помимо отмеченных выше. Перечислим их кратко:

  • ковкость — способность приобретать различную форму;
  • тягучесть — способность вытягиваться в тонкие нити;
  • способность сопротивляться специальным видам деформации, например, изгибу или кручению.

Таким образом, микроскопическое строение твердых тел свойства их во многом определяет.

Источник

Источник: https://1Ku.ru/obrazovanie/42930-mehanicheskoe-svojstvo-tverdyh-tel-tverdoe-telo-tverdye-tela-i-ih-svojstva/

Booksm
Добавить комментарий