Какие свойства относятся к физическим свойствам

У любого из материалов имеются физические, механические, теплофизические, прочностные, химические, гидрофизические и многие другие свойства. Но в этой статье мы конкретно разберем именно первые – физические свойства материала. Дадим определение, перечислим конкретно, что под ними скрывается, а также подробно охарактеризуем каждое из свойств.

Определение

Физические свойства материала – все свойства, которые присущи веществам без химического воздействия на них.

Любой материал остается неизменным (самим собой) при одном условии – до тех пор, пока неизменен его состав, а также строение его молекул. Если вещество немолекулярное – пока сохраняется одинаковым его состав и связь между атомами. А уже различия в физических свойствах и иных характеристиках материала помогают разделять смеси, состоящие из него.

Важно знать и то, что физические свойства материала могут быть различными для различных его агрегатных материалов. Скажем, тепловые, электрические, механические, физические, оптические свойства вещества зависят от избранного направления в кристалле.

Наполнение термина

Физические свойства вещества включают такие как:

• Вязкость.
• Температура плавления.
• Плотность.
• Температура кипения.
• Теплопроводность.
• Цвет.
• Консистенция.
• Проницаемость диэлектрическая.
• Абсорбция.
• Теплоемкость.
• Эмиссия.
• Радиоактивность.
• Индуктивность.
• Текучесть.
• Электропроводность.

А физические свойства материала представлены в основном следующим:

• Плотность.
• Пустотность.
• Пористость.
• Гигроскопичность.
• Водопроницаемость.
• Влагоотдача.
• Водопоглощение.
• Воздухостойкость.
• Морозостойкость.
• Термическое сопротивление.
• Теплопроводность.
• Огнестойкость.
• Огнеупорность.
• Радиационная стойкость.
• Химическая стойкость.
• Долговечность.

И физические, и химические, и технологические свойства материалов одинаково важны. Но мы разберем подробнее первую категорию. Представим характеристику самых важных физических свойств конструкционных материалов.

Плотность

Одно из важнейших свойств в материаловедении. Плотность разделяется на три категории:

• Истинная. Масса единицы объема материала, признанного абсолютно плотным.
• Средняя. Это уже масса единицы объема при естественном состоянии материала (с порами и пустотами). Таким образом, средняя плотность изделий из одного и того же материала может быть разной – в зависимости от пустотности и пористости.
• Насыпная. Используется для сыпучих материалов – это песок, щебень, цемент. Так называется отношение массы порошкообразных и зернистых материалов к ко всему занимаемому ими объему (включается в расчеты и пространство между частицами).

Плотность материала влияет на его технологические характеристики – прочность, теплопроводность. Она будет прямо зависеть от пористости и влажности. С увеличением влажности, соответственно, плотность будет повышаться. Это и характерный показатель для определения экономичности материала.

Пористость

Среди физических, технологических и механических свойств материалов не последнее место занимает и пористость. Это степень заполнения объема изделия порами.

В данном контексте поры – это мельчайшие ячейки, заполненные водой или воздухом. Они могут быть крупными и мелкими, открытыми и закрытыми. Если мелкие поры, к примеру, заполнены воздухом, это повышает теплоизоляционные свойства материала. Величина пористости помогает судить и о других важных характеристиках – долговечности, прочности, водопоглощении, плотности.

Открытые поры сообщаются как с окружающей средой, так и между собой, могут искусственно заполняться водой при погружении материала в жидкость. Обычно чередуются с закрытыми. В звукопоглощающих материалах, к примеру, искусственно создается открытая пористость и перфорация – для более интенсивного поглощения звуковой энергии.

Закрытые поры по распределению и размеру характеризуется следующим:

• Интегральная кривая распределения объема пор в единице объема по их радиусам.
• Дифференциальная кривая распределения по радиусам объема пор.

Пустотность

Продолжаем рассматривать физические свойства материалов (плотность, морозостойкость и прочие). Следующее здесь – пустотность. Так именуется количество пустот, которые образуются между отдельными зернами рыхлого, рассыпчатого материала. Это щебень, песок и проч.

Водопроницаемость

Водопроницаемостью называется способность материала отдавать жидкость при его высушивании и поглощать воду при увлажнении.

Во время исследования физических свойств материалов нужно обратить внимание на то, что насыщение водой может проходить двумя путями: при воздействии вещества в жидком состоянии или при воздействии только его пара.

Отсюда выходят и два других важных свойства – это гигроскопичность и водопоглощение.

Гигроскопичность

Как определяется данное физическое свойство материалов в материаловедении? Гигроскопичность – способность поглощать водяные пары и удерживать их внутри себя как следствие капиллярной конденсации. Напрямую зависит от относительной влажности и температуры воздуха, размера, разновидности и количества пор вещества, его природы.

Если материал активно притягивает своей поверхностью молекулы воды, то он называется гидрофильным. Если материал, напротив, отталкивает их от себя, то он носит имя гидрофобного. Помимо этого, отдельные гидрофильные материалы отлично растворяются в воде, в то время как гидрофобные стойко сопротивляются воздействию водных сред.

Водопоглощение

Если рассказывать кратко о физических свойствах строительных материалов, то нельзя не упомянуть о водопоглощении – способности удерживать и впитывать жидкость. Свойство характеризуется объемом воды, впитываемым сухим материалом при его полном погружении в воду. Выражается в процентах от массы (материала).

Водопоглощение будет меньше истинной пористости изделия, так как определенное количество пор в нем остается закрытыми. Поэтому оно будет изменяться от их количества, объема, степени открытости. На величину будет влиять и природа материала, его гидрофильность.

В результате насыщения материала водой остальные его физические свойства порой значительно изменяются: возрастает теплопроводность и плотность, увеличивается объем (характерно для глины, древесины), понижается прочность из-за нарушения связей между отдельными частицами.

Влагоотдача

Это способность материала отдавать влагу в окружающую среду. Находясь на воздухе, сырье и изделия сохраняют свою влажность только в определенных условиях – при относительной равновесной влажности воздуха. Если показатель ниже этой величины, то материал начинает отдавать влагу в атмосферу, высушиваться.

Скорость этого процесса зависит от нескольких факторов: от разности между влажностью самого материала и влажностью воздуха (чем она больше, тем интенсивнее высушивание), от свойств самого материала – его пористости, природы, гидрофобности. Так, сырье с крупными порами, гидрофобное будет легче отдать жидкость, нежели материал гидрофильный, с мелкими порами.

Воздухостойкость

Воздухостойкостью называется способность материала в течение длительного времени выдерживать многократное систематическое высушивание и увлажнение без потерь своей механической плотности, а также без значительных деформаций.

Какие-то материалы при периодическом увлажнении начинают разбухать, какие-то – дают усадку, какие-то – слишком коробятся. Древесина, например, подвергается знакопеременным деформациям. Цемент при частом увлажнении-высыхании склонен разрушаться, осыпаться.

Водопроницаемость

Это физическое свойство – способность материалов пропускать через себя жидкость под давлением. Характеризуется объемом воды ,которая за 1 час проходит через 1 кв. м материала под давлением в 1 МПа.

Важно отметить, что встречаются и полностью водонепроницаемые материалы. Это сталь, битум, стекло, основные разновидности пластмасс.

Морозостойкость

Важное физическое свойство в российских реалиях. Так зовется способность материала, насыщенного водой, выдерживать многократные попеременные замораживания и оттаивания без значительного уменьшения прочности, появления видимых признаков разрушения.

Разрушение при этом процессе нередко из-за того, что при замораживании вода увеличивается в своем объеме примерно на 9 %. При этом наибольшее ее расширение при переходе в лед наблюдается при отметке -4 °С. При заполнении пор материала водой, ее расширении и и замерзании, поровые стенки испытывают значительные повреждения, которые и ведут к разрушению материала.

Соответственно, морозостойкость будет определять степень насыщения пор водой, его плотность. Морозостойкими считаются именно плотные материалы. Из пористых в эту категорию можно отнести только те, которые отличаются большим присутствие закрытым пор. Или чьи поры вода заполняет не более чем на 90 %.

Физические свойства способны представить важные способности материалов. Некоторые из них мы уже подробно разобрали в статье. Это способность выдерживать холод, многократные наполнения водой и высушивания, удерживать, впитывать, отдавать жидкость и другие важные характеристики.

Каждый предмет, окружающий человека, изготовлен из определенного сырья. В его качестве выступают различные материалы. Для того чтобы эффективнее их использовать, прежде всего следует тщательно исследовать присущие им свойства и характеристики.

Виды свойств

В настоящее время исследователи определили три основных вида свойств материалов:

• физические;
• химические;
• механические.

Каждое из них описывает определенные характеристики того или иного материала. В свою очередь они могут комбинироваться, например, физические и химические свойства материалов объединяются в физико-химические.

Физические свойства

Физические свойства материалов дают характеристику их строения, а также отношения к любого рода процессам (физического характера), которые исходят из внешней среды. Эти свойства могут быть:

1. Удельными характеристиками строения и структурными характеристиками – истинная, средняя и насыпная плотности; закрытая, открытая или общая плотности.

   

2. Гидрофизическими (ответная реакция на воздействие воды либо мороза) – водопоглощением, влагоотдачей, влажностью, морозостойкостью.
3. Теплофизическими (свойства возникающие под воздействием тепла либо холода) – теплопроводностью, теплоемкостью, огнеупорностью, огнестойкостью и др.

Все они относятся к основным физическим свойствам материалов и веществ.

Удельные характеристики

Истинной плотностью называется физическое свойство материалов, которое выражается отношением массы вещества к его объему. При этом исследуемый объект должен пребывать в абсолютной плотности, то есть без пустот и пор. Средней плотностью называют физическую величину, которая определяется отношением массы вещества к объему, занимаемому им в пространстве. При расчете этого свойства объем объекта включает в себя все внутренние и внешние поры и пустоты.

Сыпучим веществам характерно такое физическое свойство материалов, как насыпная плотность. Объем такого объекта исследования включает в себя не только пористость материала, но и образовавшиеся между элементами вещества пустоты.

Пористость материала – это величина, которая выражает степень заполненности общего объема вещества порами.

Гидрофизические свойства

Последствия воздействия на материал воды или морозов во многом зависят от степени его плотности и пористости, которые влияют на уровень водопоглощения, водопроницаемости, морозостойкости, теплопроводности и др.

Водопоглощением называется способность вещества впитывать и удерживать в себе влагу. Высокий уровень пористости при этом играет важную роль.

Влагоотдача является свойством, противоположным водопоглощению, то есть характеризует материал со стороны отдачи влаги в окружающую его среду. Эта величина играет важную роль в обработке некоторых веществ, например, строительных, которые в процессе возведения имеют высокую влажность. Благодаря влагоотдаче они высыхают до тех пор, пока их влажность не сравняется с окружающей средой.

Гигроскопичность – это свойство предусматривающее поглощение объектом водяных паров извне. Например, древесина способна поглощать много влаги, в результате чего растет ее масса, снижается уровень прочности и меняется размер.

Усушка или усадка – это гидрофизическое свойство материалов, которое предусматривает уменьшение его объемов и размера в процессе высыхания.

Водостойкостью называется способность вещества сохранять свою прочность в результате увлажнения.

Морозостойкостью является способность материала, насыщенного водой, многократно выдерживать заморозку и оттаивание без снижения уровня прочности и разрушения.

Теплофизические свойства

Как упомянуто выше, такие свойства описывают последствия воздействий тепла или холода на вещества и материалы.

Теплопроводностью называется способность объекта передавать тепло от поверхности к поверхности через свою толщу.

Теплоемкость – свойство вещества, предусматривающее поглощение определенного количества тепла при нагревании и выделение того же количества тепла при охлаждении.

Огнестойкостью называется физическое свойство материала, которое описывает его способность противостоять действию высокой температуры и жидкости при пожаре. В соответствии с уровнем огнестойкости материалы и вещества могут быть несгораемыми, трудносгораемыми и сгораемыми.

Огнеупорность – это способность объекта выдерживать длительные воздействия высокими температурами без последующего расплавления и деформации. В зависимости от уровня огнеупорности вещества могут быть огнеупорными, тугоплавкими и легкоплавкими.

Паро- и газопроницаемостью называется физическое свойство материалов пропускать через себя под давлением воздушные газы либо водяной пар.

Химические свойства

Химическим называются свойства, которые описывают способность материалов реагировать на воздействия окружающей среды, ведущие к изменениям в их химической структуре. Кроме того, к таким свойствам относятся и характеризующие вещества со стороны их влияния на структуры других объектов. С точки зрения химических свойств материалы описываются уровнем растворимости, кислото- и щелочестойкостью, газоустойчивостью и антикоррозийностью.

Растворимостью обозначается способность вещества к растворению в воде, бензине, масле, скипидаре и других растворителях.

Кислотостойкость показывает уровень стойкости материала к воздействию минеральных и органических кислот.

Щелочестойкость учитывается при технологических обработках веществ, так как помогает распознать их природу.

Газостойкостью характеризуют способность объекта противостоять взаимодействию с газами, которые входят в состав атмосферы.

С помощью показателя антикоррозийности можно узнать, насколько вещество поддается разрушению коррозией, возникающей в результате воздействия на него внешней среды.

Механические свойства

Механическими свойствами называются реакции материалов на приложенные к ним механические нагрузки.

Физические и механические свойства материалов часто пересекаются, однако существует ряд исключительно механических показателей. Со стороны механики вещества характеризуются упругостью, прочностью, твердостью, пластичностью, усталостью, хрупкостью и др.

Упругостью является способность тел (твердых) к сопротивлению воздействиям, направленным на изменение их объема либо формы. Объект с высокой величиной упругости устойчив к механическим напряжениям и способен самостоятельно восстанавливаться, возвращаясь в исходное состояние после прекращения воздействия.

Прочность показывает, насколько материал устойчив к разрушению. Его максимальный показатель для определенного объекта называется пределом прочности. Пластичность также относится к прочностным показателям. Она является свойством (характерным для твердых тел) бесповоротно изменять свой внешний вид (деформироваться) под влиянием сил, исходящих извне.

Усталостью называется накопительные процесс, при котором в результате повторяющихся механических воздействий растет уровень внутреннего напряжения материала. Этот уровень будет увеличиваться до тех пор, пока не пересечет предел упругости, в результате чего материал начнет разрушаться.

Одним из самых распространенных свойств является твердость. Она представляет собой уровень сопротивления объекта вдавливанию.

Методика определения физических свойств

Для того чтобы узнать определенные физические свойства материала, используются различные способы, каждый из которых направлен на исследование какого-то определенного показателя.

Для того чтобы определить плотность образца материала, зачастую пользуются методом гидростатического взвешивания. Он предусматривает измерение объема вещества по массе вытесняемой им жидкости. Истинную плотность рассчитывают математическим путем, разделив массу объекта на его абсолютный объем.

Эксперимент по определению величины водопоглощения производится в несколько этапов. Прежде всего образец материала взвешивается, производится измерение его размеров и вычисляется объем. После этого он погружается в воду на 48 часов для насыщения жидкостью. Спустя 2 дня образец достают из воды и немедленно взвешивают, после чего математическим путем вычисляется водопоглощение материала.

Большинство методов определения физических свойств материалов на практике сводятся к использованию специальных формул.

Определение химических свойств

Все основные химические свойства веществ определяются путем создания условий для взаимодействия объекта исследования с различными реагентами. Для определения растворимости используется вода, масло, бензин и другие растворители. Уровень окисления и подверженности образованию коррозии определяется с помощью различных окислителей, которые способствуют общим, петтинговым и межкристаллитным реакциям.

Определение механических характеристик

Механические свойства веществ в значительной степени зависят от их структуры, сил, которые к ним прикладываются, температуры и внешнего давления. Практически все механические характеристики материалов устанавливаются в процессе лабораторных испытаний. Самыми простыми из них являются растяжение, сжатие, кручение, нагружение и изгиб. Так, например, предел прочности материала при изгибе и сжатии определяется при помощи гидравлического пресса.

Кроме того, при определении механических свойств также используют специальные формулы, которые зачастую основываются на массе объекта и его объеме.