Тема занятия: Характеристики твёрдого состояния вещества
Твердые тела, в отличие от жидких тел, сохраняют не только объем, но и форму. Потенциальная энергия молекул или атомов твердого тела, обусловленная силами притяжения между ними, значительно превышает кинетическую энергию молекул или атомов, которые колеблются около определенных положений равновесия (Е п >>Ек). Если соединить центры положений равновесия атомов, молекул или ионов твердого тела, то получится правильная пространственная решетка, называемая кристаллической.
Кристаллы – это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают определенные, упорядоченные положения в пространстве, т.е. для кристаллов характерен дальний порядок в расположении частиц.
Одиночные кристаллы называют монокристаллами. Они представляют собой тела, ограниченные плоскими гранями. У разных монокристаллов одного и того же вещества углы между соответственными гранями одинаковы, что в первую очередь позволяет различать кристаллы. К монокристаллам, встречающимся в природе, относятся горный хрусталь, алмаз, турмалин и др. Для монокристаллов характерна анизотропия.
Анизотропия – это зависимость физических свойств от выбранного в кристалле
направления. По разным направлениям кристалл имеет различную механическую прочность, по-разному проводит теплоту и электрический ток, имеет разные оптические свойства.
Металлы, сплавы и многие горные породы имеют кристаллическую структуру. Если взять большой кусок металла, то ни внешне, ни в физических свойствах кристаллическое строение никак не проявляется. В обычном состоянии металлы не обнаруживают анизотропии.
Обычно металл состоит из огромного числа сросшихся друг с другом кристаллов, расположенных беспорядочно. В связи с этим в объеме много больше объема отдельных кристаллов, все направления равноправны и свойства металлов одинаковы по всем направлениям.
Твердое тело, состоящее из большого числа маленьких кристалликов, называют поликристаллическим.
Существуют твердые тела, у которых нет строгого порядка в расположении атомов. Только ближайшие соседние атомы располагаются в некотором порядке. Для таких тел, как и для жидкостей, характерен ближний порядок в расположении атомов. Их называют аморфными (греч. amorphos – бесформенный)
Аморфными являются стекло, пластмассы, смола, канифоль, леденцы и др.
Часто одно и то же вещество может быть кристаллическим и аморфным. Все аморфные тела изотропны, то есть их физические свойства одинаковы по всем направлениям.
Аморфные тела одновременно упруги (как твердые тела) и текучи (как жидкость).
Твердые тела сохраняют форму, но под действием сил, приложенных к ним,
форма тел меняется, то есть происходит деформация.
Деформацией называется изменение формы или размеров тела.
Деформации, которые полностью исчезают после прекращения действия внешних сил, называются упругими.
Свойство деформированных тел принимать первоначальную форму и объем после прекращения действия внешних сил называется упругостью (пружина, стальные шарики при столкновении и др.).
Деформации, которые не исчезают после прекращения действия внешних сил, называются пластическими.
Свойство деформированных тел сохранять деформацию после прекращения действия внешних сил, называется пластичностью (глина, воск, свинец – при небольших, но длительных воздействиях).Деление материалов на упругие и пластичные условно, т.к. каждый материал обладает упругостью и пластичностью. Опыт показывает, что при постепенном увеличении нагрузок на материал в теле сначала возникают упругие деформации, а затем пластические.
В машиностроении также приходится учитывать такие механические свойства как хрупкость и твердость.
Существуют материалы, которые при небольших нагрузках упруго деформируются, а при увеличении нагрузки разрушаются прежде, чем у них появится пластическая деформация. Такие материалы называются хрупкими (стекло, кирпич). Хрупкие материалы очень чувствительны к ударной нагрузке.
Твердость материала определяется разными способами. Обычно более твердым считается тот материал, который оставляет царапины на поверхности другого материала. Наиболее твердым материалом считается алмаз. На практике при механических воздействиях на твердые тела встречаются различные виды деформаций, такие как деформация растяжения (сжатия), деформации поперечного и продольного изгиба, деформация кручения, деформация сдвига и др.
Рассмотрим некоторые из них.
1. Деформация растяжения (сжатия)
Если однородный стержень закрепить одним концом, приложить силу F вдоль оси стержня в направлении от этого конца, то стержень подвергается деформации растяжения.
Деформацию растяжения испытывают тросы, канаты, цепи в подъемных устройствах, стяжки между вагонами. Если на тот же стержень действовать силой F, направленной к закрепленному концу, то стержень подвергается деформации сжатия.
Относительная деформация: ε < 0.
Деформации сжатия подвергаются столбы, колонны, стены, фундаменты стен. При растяжении или сжатии изменяется площадь поперечного сечения тела.
2. Деформация сдвига
Деформацию, при которой происходит смещение слоев тела друг относительно друга, называют деформацией сдвига. Угол сдвига γ прямо пропорционален величине приложенной силы.
Деформацию растяжения характеризуют абсолютным удлинением:
∆ ℓ = ℓ - ℓ0
и относительным удлинением:
ε = ∆ ℓ / ℓ0
ℓ0 – начальная длина;
ℓ - конечная длина стержня.
Деформацию сдвига испытывают балки в местах опор, заклепки и болты, скрепляющие детали.
Механические свойства твердых тел существенно зависят от температуры. Например, нагретая сталь приобретает пластичность (ковкость), а резина при очень низкой температуре становится хрупкой. При нагревании твердого тела увеличиваются средние расстояния между
молекулами или атомами, находящимися в узлах кристаллической решетки, и объем кристалла увеличивается.
Тепловым расширением называется линейное увеличение размеров тела и
его объема, происходящее при повышении температуры.
1. Линейное расширение
Линейное тепловое расширение характеризуется температурным коэффициентом линейного расширения a.Этот коэффициент показывает относительное изменение линейных размеров тела, выполненного из данного материала при изменении температуры на 1К. Пусть при Т0 тело имеет длину ℓ0. При нагревании до температуры Т его длина увеличивается до ℓ, то есть на ∆ ℓ = ℓ - ℓ0.
Относительное удлинение тела составит ∆ ℓ / ℓ0.
Температурный коэффициент линейного расширения – это величина, равная отношению относительного удлинения тела к изменению его температуры на ∆Т = Т – Т0
a = ∆ ℓ / ℓ0 ∆Т
Отсюда конечная длина тела определится:
ℓ = ℓ0 (1+ a ∆Т)
Температурный коэффициент линейного расширения зависит от рода вещества и дается в таблице.
2. Объемное расширение
С увеличением температуры увеличивается объем твердого тела. Коэффициент объемного расширения b - величина, равная отношению относительного увеличения объема ∆V / V0 тела к изменению температуры тела ∆Т:
b = ∆V / V0∆Т
Связь между a и b: b = 3 a
В технике необходимо учитывать тепловое расширение твердых тел. Например, при натягивании проводов на линиях электропередач, устройстве паропроводов (использование петель-компенсаторов), сооружении мостов, прокладке рельс. При строительстве зданий необходимо подбирать материалы с одинаковым коэффициентом объемного расширения. Иначе при изменении температуры в стенах возникнут трещины и перекосы, что может привести все сооружение в аварийное состояние, как и при строительстве пряничного домика, изделий из карамели или мастики.