Какое свойство присуще твердым телам

Основные свойства твердых тел
Типы твердых тел
Свойства твердых веществ аморфного типа
Особые свойства твердых тел
Пластичность и хрупкость

Твёрдые тела отличаются от других тел рядом признаков и свойств. Все они имеют сходные между собой характеристики. Все эти свойства и характеристики изучаются в ходе постоянно совершенствующегося познавательного процесса окружающего мира.

Твердые тела физика изучает на протяжении всего своего существования как науки. Исследования, в том числе и при которых изучаются свойства тел, проводятся на микро и макроуровнях. Изучение физических тел, включая свойства твёрдых тел – один из основных вопросов современной физики.

Основные свойства твердых тел

Твердым телам свойственны: упругость, пластичность и хрупкость.

Упругость – свойство тела возвращать форму в исходное положение после прекращения действия физической силы извне. К примерам можно отнести резину.

Пластичность – свойство, заключающееся в закреплении приобретенной формы после остановки или прекращения внешнего воздействия. Это свойство не восстанавливать свою форму. Примеры: пластилин, глина.

Хрупкость – свойство тела разрушаться при малых деформациях. Примеры: стекло, фарфор.

Типы твердых тел

Зависимо от степени проявления тех или иных свойств, все твердые тела можно поделить на такие основные типы:

Аморфные
С кристаллической структурой

Огромное разнообразие твердых тел по сути можно рассматривать как бесконечное количество молекулярных связей. Без использования всего разнообразия твердых тел с различными свойствами и характеристиками невозможно было бы представить себе текущий уровень развития науки и техники. Множество приборов и серьезного научного оборудования созданы на основании знаний того, какими свойствами обладают твердые тела, например, огромное количество электронного оборудования использует полупроводники со своими уникальными свойствами и возможностями. Речь идет о магнитах, сверхпроводниках и прочих материалах, без которых было бы невозможным такое стремительное развитие науки.

Таким образом, твёрдые тела это один из важнейших предметов изучения физики и одно из важнейших предпосылок к перспективам развития науки. В частности, сегодня ученых интересуют свойства твердых тел с кристаллической структурой внутреннего строения, которые проявляются в результате взаимодействия частиц.

Коллективные свойства электронов дают возможность электропроводности тех или иных тел, тип коллективного колебания, возникающего при поглощении тепла, определяет степень теплоемкости. Определено, что тепловые свойства твердых тел разные: некоторым твердым телам более свойственно поглощение тепла и соответственного нагревания, а некоторым – меньше. На основании получаемых данных рассматриваются варианты, при которых управление свойствами твердых тел используется в полезных практических и научных целях.

Свойства кристаллических твердых тел предполагают наличие кристаллической решетки. В этих телах частицы имеют четкую структуру, четкую периодичность и порядок размещения структурных единиц и составляющих элементов всей конструкции. Свойства твердого вещества аморфного типа – совершенно иные. Они представляют собой огромное количество хаотичного скопления атомов.

Еще одной отличительной чертой кристаллического тела является анизотропность. Данная характеристика твердых тел-кристаллов предполагает зависимость свойств тела от направления внутри кристалла.

Кристаллическая структура присуща всем металлам, именно поэтому они – лучшие материалы для строительства. Однако важно обратить внимание на то, что анизотропность не проявляется постоянно. В обычном состоянии эта характеристика никак не проявляется у металлов. Оказывается, в некоторых случаях вещество может пребывать в аморфном и кристаллическом состоянии одновременно.

Свойства твердых веществ аморфного типа

Для тел аморфного типа свойственна изотропность, которая предполагает равные показатели по всем направлениям. Приведем в пример стекло, леденцы. При достаточных внешних воздействиях эти тела приобретут другую форму и другие признаки.

К основным свойствам аморфных тел относятся:

Упругость
Текучесть

Упругие свойства твердых тел проявляются во всех твердых телах, а текучесть – это признак жидкости.

Такая характеристика твердых тел как упругость проявляется при кратковременных силовых воздействиях. Стоит же применить больше силы, и они могут расколоться на частицы. При интенсивном же и длительном взаимодействии твердые тела могут проявлять текучесть.

Особые свойства твердых тел

Анизотропия – одно из свойств твердого вещества, которое заключается в зависимости физических свойств от направления в кристалле.
Изотропия – отсутствие зависимости свойства тела от направления
Полиформизм – особое свойство, которое заключается в способности твёрдых тел находиться в состоянии с различной кристаллической решёткой. Свойство присуще только твердому агрегатному состоянию веществ.

Молекулы и атомы тел типа аморфные поддаются колебаниям, однако незначительным по сравнению с жидкостью, поэтому по внутренним свойствам их можно приравнять к кристаллическим.

Их атомы не находятся в постоянном процессе перестраивания из одного положения в другое, поэтому их состояние равновесия характеризуется как неменяющееся. Аморфные тела в состоянии низкой температуры отвечают свойствам твердых тел. При повышении температуры – меняются связи на молекулярном уровне, а тела начинают напоминать по своим свойствам жидкость.

Аморфные тела имеют одновременно схожесть и с кристаллическими, и с твердыми телами, и с жидкими. Из частицы находятся в определенном порядке, что позволяет создавать материалы, вещества, предметы с заданными и ожидаемыми свойствами. Управляемые свойства твердых тел физика рассматривает как одно из самых основных направлений практически ориентированного изучения того, какими общими свойствами обладают твердые тела и как этими свойствами управлять.

Пластичность и хрупкость

Есть ряд материалов, которые претерпевают деформацию при небольшом внешнем воздействии. Это свойство пластичности, которое отличает аморфные твердые тела.

Другая группа материалов – это материалы, способные разрушиться при незначительном воздействии. Это свойство хрупкости, оно на практике оказывается более востребованным, чем упругость и пластичность. Одним из наиболее хрупких материалов является фарфор. Нам известно, что будет с фарфоровым предметом, если уронить его с высоты.

Один и тот же материал условно способен приобретать упругость или пластичность зависимо от возникающих напряжений. У разных материалов свой предел прочности: при определенной нагрузке происходит разрыв материала. В таком случае говорят, что напряжение в этом момент достигло своего максимального значения. Эта величина зависит от материала и качества его обработки.

Источник

Твердыми называют такие вещества, которые способны образовывать тела и имеют объем. От жидкостей и газов они отличаются своей формой. Твердые вещества сохраняют форму тела благодаря тому, что их частицы не способны свободно перемещаться. Они отличаются по своей плотности, пластичности, электропроводности и цвету. Также у них есть и другие свойства. Так, например, большинство данных веществ плавятся во время нагревания, приобретая жидкое агрегатное состояние. Некоторые из них при подогреве сразу же превращаются в газ (возгоняются). Но есть еще и те, которые разлагаются на иные вещества.

Виды твердых веществ

Все твердые вещества подразделяют на две группы.

Аморфные, в которых отдельные частицы располагаются хаотично. Другими словами: в них нет четкой (определенной) структуры. Эти твердые вещества способны плавиться в каком-то установленном промежутке температур. К самым распространенным из них можно отнести стекло и смолу.
Кристаллические, которые, в свою очередь, подразделяются на 4 типа: атомные, молекулярные, ионные, металлические. В них частицы располагаются только по определенной схеме, а именно в узлах кристаллической решетки. Ее геометрия в разных веществах может сильно различаться.

Твердые кристаллические вещества преобладают над аморфными по своей численности.

Твердые вещества

Типы кристаллических твердых веществ

В твердом состоянии практически все вещества имеют кристаллическую структуру. Они отличаются своим строением. Кристаллические решетки в своих узлах содержат различные частицы и химические элементы. Именно в соответствии с ними они и получили свои названия. У каждого типа имеются характерные для него свойства:

В атомной кристаллической решетке частицы твердого вещества связаны ковалентной связью. Она отличается своей прочностью. Благодаря этому такие вещества отличаются высокой температурой плавления и кипения. К этому типу относятся кварц и алмаз.
В молекулярной кристаллической решетке связь между частицами отличается своей слабостью. Вещества такого типа характеризуются легкостью закипания и плавления. Они отличаются летучестью, благодаря которой имеют определенный запах. К таким твердым телам относятся лед, сахар. Движения молекул в твердых веществах этого типа отличаются своей активностью.
В ионной кристаллической решетке в узлах чередуются соответствующие частицы, заряженные положительно и отрицательно. Они удерживаются электростатическим притяжением. Данный тип решетки существует в щелочах, солях, основных оксидах. Многие вещества этого вида легко растворяются в воде. Благодаря достаточно прочной связи между ионами они тугоплавки. Практически все они не имеют запаха, поскольку для них характерна нелетучесть. Вещества с ионной решеткой неспособны проводить электрический ток, поскольку в их составе нет свободных электронов. Типичный пример ионного твердого вещества – поваренная соль. Такая кристаллическая решетка придает ей хрупкость. Это связано с тем, что любой ее сдвиг может привести к возникновению сил отталкивания ионов.
В металлической кристаллической решетке в узлах присутствуют только ионы химических веществ, заряженные положительно. Между ними есть свободные электроны, через которые отлично проходит тепловая и электрическая энергия. Именно поэтому любые металлы отличаются такой особенностью, как проводимость.

Твердое состояние вещества

Общие понятия о твердом теле

Твердые тела и вещества – это практически одно и то же. Этими терминами называют одно из 4 агрегатных состояний. Твердые тела имеют стабильную форму и характер теплового движения атомов. Причем последние совершают малые колебания рядом с положениями равновесия. Раздел науки, занимающийся изучением состава и внутренней структуры, называют физикой твердого тела. Существуют и другие важные области знаний, занимающиеся такими веществами. Изменение формы при внешних воздействиях и движении называют механикой деформируемого тела.

Благодаря различным свойствам твердых веществ они нашли применение в разных технических приспособлениях, созданных человеком. Чаще всего в основе их употребления лежали такие свойства, как твердость, объем, масса, упругость, пластичность, хрупкость. Современная наука позволяет использовать и другие качества твердых веществ, которые можно обнаружить исключительно в лабораторных условиях.

Что такое кристаллы

Кристаллы – это твердые тела с расположенными в определенном порядке частицами. Каждому химическому веществу соответствует своя структура. Его атомы образуют трехмерно-периодическую укладку, называемую кристаллической решеткой. Твердые вещества обладают различной симметрией структуры. Кристаллическое состояние твердого тела считается устойчивым, поскольку имеет минимальное количество потенциальной энергии.

Подавляющее большинство твердых материалов (природных) состоит из огромного числа беспорядочно ориентированных отдельных зерен (кристаллитов). Такие вещества называют поликристаллическими. К ним относят технические сплавы и металлы, а также множество горных пород. Монокристаллическими называют одиночные природные или синтетические кристаллы.

Чаще всего такие твердые тела образуются из состояния жидкой фазы, представленного расплавом или раствором. Иногда их получают и из газообразного состояния. Этот процесс называют кристаллизацией. Благодаря научно-техническому прогрессу процедура выращивания (синтеза) различных веществ получила промышленный масштаб. Большинство кристаллов имеет естественную форму в виде правильных многогранников. Их размеры бывают самыми разными. Так, природный кварц (горный хрусталь) может весить до сотен килограммов, а алмазы – до нескольких грамм.

Плотность твердых веществ

В аморфных твердых телах атомы находятся в постоянном колебании вокруг хаотически находящихся точек. В них сохраняется определенный ближний порядок, но отсутствует дальний. Это обусловлено тем, что их молекулы расположены на расстоянии, которое можно сравнить с их размером. Наиболее часто встречающимся в нашей жизни примером такого твердого вещества является стеклообразное состояние. Аморфные вещества часто рассматриваются как жидкость с бесконечно большой вязкостью. Время их кристаллизации иногда так велико, что и вовсе не проявляется.

Именно вышеперечисленные свойства данных веществ делают их уникальными. Аморфные твердые тела считаются нестабильными, поскольку со временем могут перейти в кристаллическое состояние.

Молекулы и атомы, из которых состоит твердое вещество, упакованы с большой плотностью. Они практически сохраняют свое взаимоположение относительно иных частиц и держатся вместе благодаря межмолекулярному взаимодействию. Расстояние между молекулами твердого вещества в различных направлениях именуют параметром кристаллической решетки. Структура вещества и ее симметричность определяют множество свойств, таких как электронная зона, спайность и оптика. При воздействии на твердое вещество достаточно большой силы эти качества могут быть в той или иной степени нарушены. При этом твердое тело поддается остаточной деформации.

Атомы твердых тел совершают колебательные движения, которыми обусловлено обладание ими тепловой энергией. Поскольку они ничтожно малы, их можно наблюдать только при лабораторных условиях. Молекулярное строение твердого вещества во многом влияет на его свойства.

Молекулярное строение твердого вещества

Изучение твердых веществ

Особенности, свойства данных веществ, их качества и движение частиц изучаются различными подразделами физики твердого тела.

Для исследования используются: радиоспектроскопия, структурный анализ при помощи рентгена и другие методы. Так изучаются механические, физические и тепловые свойства твердых веществ. Твердость, сопротивление нагрузкам, предел прочности, фазовые превращения изучает материаловедение. Оно в значительной степени перекликается с физикой твердых тел. Существует и другая важная современная наука. Исследование существующих и синтезирование новых веществ проводятся химией твердого состояния.

Особенности твердых веществ

Характер движения внешних электронов атомов твердого вещества определяет многие его свойства, например, электрические. Существует 5 классов таких тел. Они установлены в зависимости от типа связи атомов:

Ионная, основной характеристикой которой является сила электростатического притяжения. Ее особенности: отражение и поглощение света в инфракрасной области. При малой температуре ионная связь отличается малой электропроводностью. Примером такого вещества является натриевая соль соляной кислоты (NaCl).
Ковалентная, осуществляемая за счет электронной пары, которая принадлежит обоим атомам. Такая связь подразделяется на: одинарную (простую), двойную и тройную. Эти названия говорят о наличии пар электронов (1, 2, 3). Двойные и тройные связи называют кратными. Существует еще одно деление этой группы. Так, в зависимости от распределения электронной плотности выделяют полярную и неполярную связь. Первая образуется разными атомами, а вторая – одинаковыми. Такое твердое состояние вещества, примеры которого – алмаз (С) и кремний (Si), отличается своей плотностью. Самые твердые кристаллы относятся именно к ковалентной связи.
Металлическая, образующаяся путем объединения валентных электронов атомов. В результате чего возникает общее электронное облако, которое смещается под воздействием электрического напряжения. Металлическая связь образуется тогда, когда связываемые атомы большие. Именно они способны отдавать электроны. У многих металлов и сложных соединений данной связью образуется твердое состояние вещества. Примеры: натрий, барий, алюминий, медь, золото. Из неметаллических соединений можно отметить следующие: AlCr2, Ca2Cu, Cu5Zn8. Вещества с металлической связью (металлы) разнообразны по физическим свойствам. Они могут быть жидкими (Hg), мягкими (Na, K), очень твердыми (W, Nb).
Молекулярная, возникающая в кристаллах, которые образуются отдельными молекулами вещества. Ее характеризуют промежутки между молекулами с нулевой электронной плотностью. Силы, связывающие атомы в таких кристаллах, значительны. При этом молекулы притягиваются друг к другу только слабым межмолекулярным притяжением. Именно поэтому связи между ними легко разрушаются при нагревании. Соединения между атомами разрушаются намного сложнее. Молекулярная связь подразделяется на ориентационную, дисперсионную и индукционную. Примером такого вещества является твердый метан.
Водородная, которая возникает между положительно поляризованными атомами молекулы или ее части и отрицательно поляризованной наименьшей частицей иной молекулы либо другой части. К таким связям можно отнести лед.

Расстояние между молекулами твердого вещества

Свойства твердых веществ

Что нам известно на сегодняшний день? Ученые давно изучают свойства твердого состояния вещества. При воздействии на него температур изменяется и оно. Переход такого тела в жидкость называют плавлением. Трансформация твердого вещества в газообразное состояние называется сублимацией. При понижении температуры происходит кристаллизация твердого тела. Некоторые вещества под действием холода переходят в аморфную фазу. Этот процесс ученые называют стеклованием.

При фазовых переходах изменяется внутренняя структура твердых тел. Наибольшую упорядоченность она приобретает при понижении температуры. При атмосферном давлении и температуре Т > 0 К любые вещества, существующие в природе, затвердевают. Только гелий, для кристаллизации которого нужно давление в 24 атм, составляет исключение из этого правила.

Твердое состояние вещества придает ему различные физические свойства. Они характеризуют специфическое поведение тел под воздействием определенных полей и сил. Эти свойства подразделяют на группы. Выделяют 3 способа воздействия, соответствующие 3 видам энергии (механической, термической, электромагнитной). Соответственно им существует 3 группы физических свойств твердых веществ:

Механические свойства, связанные с напряжением и деформацией тел. По этим критериям твердые вещества делят на упругие, реологические, прочностные и технологические. В покое такое тело сохраняет свою форму, но оно может изменяться под действием внешней силы. При этом его деформация может быть пластической (начальный вид не возвращается), упругой (возвращается в первоначальную форму) или разрушительной (при достижении определенного порога происходит распад/разлом). Отзыв на прилагаемое усилие описывают модулями упругости. Твердое тело сопротивляется не только сжатию, растяжению, но и сдвигам, кручению и изгибам. Прочностью твердого тела называют его свойство сопротивляться разрушению.
Термические, проявляющиеся при воздействии тепловых полей. Одно из самых важных свойств – температура плавления, при которой тело переходит в жидкое состояние. Оно отмечается у кристаллических твердых веществ. Аморфные тела обладают скрытой теплотой плавления, поскольку их переход в жидкое состояние при повышении температуры происходит постепенно. По достижении определенной теплоты аморфное тело теряет упругость и приобретает пластичность. Это состояние означает достижение им температуры стеклования. При нагревании происходит деформация твердого тела. Причем оно чаще всего расширяется. Количественно это состояние характеризуется определенным коэффициентом. Температура тела влияет на такие механические характеристики, как текучесть, пластичность, твердость и прочность.
Электромагнитные, связанные с воздействием на твердое вещество потоков микрочастиц и электромагнитных волн большой жесткости. К ним условно относят и радиационные свойства.

Твердые кристаллические вещества

Зонная структура

Твердые вещества классифицируются и по так называемой зонной структуре. Так, среди них различают:

Проводники, отличающиеся тем, что зоны их проводимости и валентности перекрываются. При этом электроны могут перемещаться между ними, получая малейшую энергию. К проводникам относятся все металлы. При приложении к такому телу разности потенциалов образуется электрический ток (благодаря свободному передвижению электронов между точками с наименьшим и большим потенциалом).
Диэлектрики, зоны которых не перекрываются. Интервал между ними превышает 4 эВ. Для проведения электронов из валентной в проводимую зону необходима большая энергия. Благодаря таким свойствам диэлектрики практически не проводят ток.
Полупроводники, характеризующиеся отсутствием зон проводимости и валентности. Интервал между ними меньше 4 эВ. Для перевода электронов из валентной в проводимую зону необходима энергия меньшая, чем для диэлектриков. Чистые (нелегированные и собственные) полупроводники плохо пропускают ток.

Движения молекул в твердых веществах обуславливают их электромагнитные свойства.

Другие свойства

Твердые тела подразделяются и по своим магнитным свойствам. Есть три группы:

Диамагнетики, свойства которых мало зависят от температуры или агрегатного состояния.
Парамагнетики, являющиеся следствием ориентации электронов проводимости и магнитных моментов атомов. Согласно закону Кюри, их восприимчивость убывает пропорционально температуре. Так, при 300 К она составляет 10-5.
Тела с упорядоченной магнитной структурой, обладающие дальним порядком атомов. В узлах их решетки периодически располагаются частицы с магнитными моментами. Такие твердые тела и вещества часто используются в разных сферах деятельности человека.

Самое твердое вещество

Самые твердые вещества в природе

Какие же они? Плотность твердых веществ во многом определяет их твердость. За последние годы ученые открыли несколько материалов, которые претендуют на звание «наиболее прочного тела». Самое твердое вещество – это фуллерит (кристалл с молекулами фуллерена), который примерно в 1,5 раза тверже алмаза. К сожалению, он пока доступен только в крайне малых количествах.

На сегодняшний день самое твердое вещество, которое в дальнейшем, возможно, будет использоваться в промышленности, – лонсдейлит (гексагональный алмаз). Он на 58% тверже бриллианта. Лонсдейлит – аллотропная модификация углерода. Его кристаллическая решетка очень напоминает алмазную. Ячейка лонсдейлита содержит 4 атома, а бриллианта – 8. Из широко используемых кристаллов на сегодня самым твердым остается алмаз.

Источник