Какое свойство твердых тел вы наблюдали
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.
Готовые работы на аналогичную тему
Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту
Узнать стоимость
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;
- текучесть.
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
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).
Вам будет интересно: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
Вам будет интересно:Second Conditional, правило и примеры
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:
- хрупкое;
- вязкое.
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
Твердое тело является одним из трех основных состояний материи, наряду с жидкостью и газом. Материя – это вещество вселенной, атомы, молекулы и ионы, которые составляют все физические вещества. В твердом теле, эти частицы плотно упакованы вместе и не могут свободно перемещаться внутри вещества. Молекулярное движение для частиц в твердом теле ограничено очень малыми колебаниями атомов вокруг их фиксированных положений; поэтому твердые тела имеют фиксированную форму, которую трудно изменить. Твердые тела также имеют определенный объем, то есть они сохраняют свой размер независимо от того, как вы пытаетесь их изменить.
Твердые вещества делятся на две основные категории: кристаллические твердые вещества и аморфные твердые вещества, основанные на том, как расположены частицы.
Кристаллические твердые вещества
Кристаллические твердые вещества или кристаллы рассматриваются как настоящие твердые тела. Минералы представляют собой кристаллические твердые вещества. Обычная поваренная соль является одним из примеров такого твердого вещества. В кристаллических твердых телах атомы, ионы или молекулы расположены упорядоченно и симметрично во всем кристалле. Самая маленькая повторяющаяся структура твердого тела называется элементарной ячейкой, которая похожа на кирпич в стене. Элементарные ячейки объединяются в сеть, называемую кристаллической решеткой. Существует 14 типов решеток, называемых решетками Браве (названных в честь Августа Браве, французского физика 19-го века), и они классифицируются на семь кристаллических систем, основанных на расположении атомов – кубическую, гексагональную, тетрагональную, ромбоэдрическую, орторомбическую, моноклинную и триклинную.
Кроме регулярного расположения частиц, твердые тела обладают несколькими другими характерными свойствами. Они, как правило, вообще несжимаемы, а это означает то, что их нельзя сжать в более мелкую форму. Из-за повторяющейся геометрической структуры кристалла, все связи между частицами имеют равную силу. Это значит, что кристаллическое твердое тело будет иметь определенную точку плавления, поскольку применение тепла одновременно разрушит все связи.
Кристаллические твердые вещества также проявляют анизотропию. Это означает, что такие свойства, как показатель преломления (сколько света изгибается при прохождении вещества), проводимость (насколько хорошо он проводит электричество) и прочность на растяжение (сила, необходимая для его разрыва), будут варьироваться в зависимости от направления, от которого была применена сила. Кристаллические твердые вещества также проявляют свойство расщепления – при разрыве части будут иметь выровненную поверхность или прямые края.
Типы кристаллических твердых веществ
Существует четыре типа кристаллических твердых тел: ионные твердые тела, молекулярные твердые тела, сетевые ковалентные твердые тела и металлические твердые тела.
Ионные твердые тела
Ионные соединения образуют кристаллы, которые состоят из противоположно заряженных ионов – положительно заряженного катиона и отрицательно заряженного аниона. Из-за сильного притяжения между противоположными зарядами требуется много энергии для преодоления ионных связей. Это означает, что ионные соединения имеют очень высокую температуру плавления, часто между 300 и 1000 градусов по Цельсию.
Хотя сами кристаллы являются твердыми, хрупкими и непроводящими, большинство ионных соединений можно растворить в воде, образуя раствор свободных ионов, который будет проводить электричество. Они могут быть простыми двойными солями, такими как хлорид натрия NaCl или поваренная соль, где один атом металлического элемента – натрия, связан с одним атомом неметаллического элемента – хлора. Они также могут состоять из многоатомных ионов, таких как нитрат аммония NH4NO3. Многоатомные ионы представляют собой группы атомов, которые разделяют электроны – это называется ковалентная связь, они функционируют в соединении, как если бы они составляли один заряженный ион.
Молекулярные твердые вещества
Молекулярные твердые вещества состоят из ковалентно связанных молекул, притягиваемых друг к другу электростатическими силами – это называется Силы Ван–дер–Ваальса. Поскольку ковалентная связь предполагает совместное использование электронов, а не прямой перенос этих частиц, общие электроны могут проводить больше времени в электронном облаке более крупного атома, вызывая слабую или смещающуюся полярность. Это электростатическое притяжение между двумя полюсами – диполями, значительно слабее, чем ионное или ковалентное связывание, поэтому молекулярные твердые тела, как правило, мягче, чем ионные кристаллы, и имеют более низкие точки плавления – многие из них будут плавиться при температуре менее 100°C. Большинство молекулярных твердых веществ неполярны. Эти неполярные молекулярные твердые вещества не будут растворяться в воде, но будут растворяться в неполярном растворителе, таком как бензол и октан. Полярные молекулярные твердые вещества, такие как сахар, легко растворяются в воде. Молекулярные твердые тела являются непроводящими.
Примеры молекулярных твердых веществ – лед, сахар, галогены, такие как твердый хлор Cl2, соединения, состоящие из галогена и водорода, такие как хлористый водород HCl. Фуллерены также являются молекулярными твердыми веществами.
Ковалентные твердые вещества
В сплошной структуре твердого тела нет отдельных молекул. Атомы ковалентно связаны в непрерывной сети, что в свою очередь приводит к кристаллической структуре. Каждый атом ковалентно связан со всеми окружающими атомами. Ковалентные твердые тела обладают свойствами, аналогичными свойствам ионных твердых тел. Они очень твердые с чрезвычайно высокими температурами плавления, обычно выше 1000 градусов по Цельсию. В отличии от ионных соединений, они не растворяются в воде и не проводят электричество.
Примеры ковалентные твердых веществ – алмазы, аметисты и рубины.
Металлические твердые вещества
Металлы представляют собой непрозрачные, блестящие твердые вещества, которые являются пластичными. Они мягкие и могут быть сформированы или спрессованы в тонкие листы, или даже втянуты в провода. Валентные электроны не передаются и не распределяются, поскольку находятся в ионной и ковалентной связи. Электронные облака соседних атомов перекрываются, так что электроны становятся делокализованными. Электроны перемещаются с относительной свободой от одного атома к другому по всему кристаллу.
Металл можно описать как решетку положительных катионов в “море” отрицательных электронов. Эта подвижность электронов означает, что металлы обладают высокой проводимостью тепла и электричества. Металлы, как правило, имеют высокие точки плавления, хотя заметными исключениями являются ртуть, температура плавления которой составляет минус 38,8 градуса по Цельсию, и фосфор с температурой плавления 44 градуса по Цельсию.
Сплав представляет собой твердую смесь металлического элемента с другим веществом. Хотя чистые металлы могут быть чрезмерно податливыми и тяжелыми, сплавы являютсяболее используемыми. Бронза – сплав меди и олова, а сталь – сплав железа, углерода и других добавок.
Аморфные твердые вещества
В аморфных твердых телах (“твердые тела без формы”) частицы не имеют повторяющейся структуры решетки. Примерами аморфных твердых веществ являются стекло, резина, гели и большинство пластмасс. Аморфное твердое вещество не имеет определенной температуры плавления. Оно плавится постепенно в определенном диапазоне температур, потому что связи не разрываются все сразу. Аморфное твердое вещество расплавится в мягкое, податливое состояние (свечной воск или расплавленное стекло), прежде чем полностью превратиться в жидкость.
Аморфные твердые тела не имеют характерной симметрии, поэтому они не имеют ровных плоскостей при разрезании – края могут быть изогнуты. Они называются изотропными, поскольку такие свойства, как показатель преломления, проводимость и прочность на растяжение, равны независимо от направления, в котором применяется сила.
???? ???? ????
Источник