Конспект лекции «Твердые тела»

Модель строения твердых тел. Механические свойства твердых тел. Аморфные вещества и жидкие кристаллы. Изменения агрегатных состояний вещества.

Сегодня мы рассмотрим твёр­дые тела с точки зре­ния мо­ле­ку­ляр­но ки­не­ти­че­ской тео­рии. Ко­неч­но же, твёр­дые тела от­ли­ча­ют­ся от газов и жидкостей по своей струк­ту­ре и свой­ствам, од­на­ко мы всё равно можем, поль­зу­ясь уже име­ю­щи­ми­ся зна­ни­я­ми, опи­сать их.

Сначала вспом­ним, какое опре­де­ле­ние твёр­дым телам вво­ди­лось в школе:

Опре­де­ле­ние. Твёр­дые тела – тела, ко­то­рые со вре­ме­нем не ме­ня­ют своей формы и объ­ё­ма. Твёр­дые тела де­лят­ся на…

1. Кри­стал­лы (кри­стал­ли­че­ские тела)

2. Аморф­ные тела

3. Ком­по­зи­ты (ком­по­зит­ные тела) (рис. 1)

Рис. 1. При­ме­ры кри­стал­ли­че­ских (соль) и аморф­ных (воск) твёр­дых тел со­от­вет­ствен­но (Ис­точ­ник), (Ис­точ­ник)

Рас­смот­ри кри­стал­ли­че­ские тела:

Опре­де­ле­ние.Кри­стал­лы – твёр­дые тела, у ко­то­рых на­блю­да­ет­ся упо­ря­до­чен­ное рас­по­ло­же­ние ато­мов или мо­ле­кул (см. рис. 2).

Рис. 2. При­мер кри­стал­ли­че­ской ре­шёт­ки (ка­мен­ная соль) (Ис­точ­ник)

Кри­стал­лы, в свою оче­редь, также де­лят­ся на два клас­са:

1. Мо­но­кри­стал­лы, то есть вся струк­ту­ра тела пред­став­ле­на еди­ным кри­стал­лом (алмаз, рубин, сап­фир…)

2. По­ли­кри­стал­лы, то есть струк­ту­ра тела пред­став­ля­ет собой объ­ё­ди­не­ние боль­шо­го ко­ли­че­ства малых кри­стал­лов (гра­нит, боль­шин­ство ме­тал­лов…)

Некоторые вещества имеют одинаковый химический состав, но различаются по своим физическим свойствам. Яркой иллюстрацией этого является алмаз и графит. Алмаз — минерал прозрачный,

обладает огромной прочностью; графит — твердое кристаллическое вещество матово-черного цвета, легко расслаивается. Химическая формула у алмаза и графита одинаковая — это соединения углерода, но физические свойства различны. Различие может быть объяснено особенностью пространственного расположения частиц веществ — различными кристаллическими решетками. Это свойство называется полиморфизмом.

Опре­де­ле­ние. По­ли­мор­физм – свой­ство твёр­дых тел су­ще­ство­вать в со­сто­я­нии с раз­лич­ной кри­стал­ли­че­ской ре­шёт­кой.

Кри­стал­лы могут быть рас­пре­де­ле­ны на две груп­пы также и по сле­ду­ю­щим свой­ствам: изо­тро­пия и ани­зо­тро­пия.

Опре­де­ле­ние. Ани­зо­тро­пия – за­ви­си­мость фи­зи­че­ских свойств кри­стал­ла от на­прав­ле­ния. То есть кри­стал­ли­че­ская струк­ту­ра не сим­мет­рич­на, и су­ще­ству­ет несколь­ко осей, вдоль ко­то­рых у кри­стал­ла про­яв­ля­ют­ся раз­лич­ные свой­ства (ме­ха­ни­че­ские, элек­три­че­ские, оп­ти­че­ские). Ани­зо­тро­пия свой­ствен­на мо­но­кри­стал­лам.

Изо­тро­пия – неза­ви­си­мость фи­зи­че­ских свойств кри­стал­ла от на­прав­ле­ния. Свой­ствен­на по­ли­кри­стал­лам, по­то­му как несим­мет­ри­че­ские мо­но­кри­стал­лы ори­ен­ти­ру­ют­ся ха­о­ти­че­ски, сводя на нет несим­мет­рич­ность.

Ещё одним прин­ци­пом, по ко­то­ро­му можно клас­си­фи­ци­ро­вать кри­стал­лы, яв­ля­ет­ся при­ро­да свя­зей, ко­то­рые удер­жи­ва­ют узлы кри­стал­ли­че­ской ре­шёт­ки вме­сте:

1. Мо­ле­ку­ляр­ные связи ха­рак­тер­ны для кри­стал­лов с очень низ­кой ме­ха­ни­че­ской твёр­до­стью (кри­стал­лы на ос­но­ве во­до­ро­да и гелия)

2. Ко­ва­лент­ные связи ха­рак­тер­ны, на­про­тив, для кри­стал­лов с вы­со­кой проч­но­стью (алмаз)

3. Ион­ные связи (соли)

4. Ме­тал­ли­че­ские связи (ме­тал­лы)

 Аморфные тела

Пе­рей­дём к рас­смот­ре­нию аморф­ных тел:

Опре­де­ле­ние. Аморф­ные тела – тела, не име­ю­щие стро­гой кри­стал­ли­че­ской ре­шёт­ки, бес­фор­мен­ные тела (смола, стек­ло). Аморф­ные тела ещё на­зы­ва­ют пе­ре­охла­ждён­ны­ми вяз­ки­ми жид­ко­стя­ми в связи с тем, что у них нет стро­гой тем­пе­ра­ту­ры плав­ле­ния, по­то­му как нет яв­но­го пе­ре­хо­да от твёр­до­го со­сто­я­ния до жид­ко­го: с уве­ли­че­ни­ем тем­пе­ра­ту­ры аморф­ные тела стают толь­ко более те­ку­чи­ми, а свой­ство те­ку­че­сти со­хра­ня­ет­ся у них даже при низ­ких тем­пе­ра­ту­рах.

Пе­рей­дём к рас­смот­ре­нию ком­по­зит­ных тел:

 Композитные тела

Опре­де­ле­ние. Ком­по­зит­ные тела – ис­кус­ствен­но со­здан­ные твёр­дые тела, со­сто­я­щие из жёст­кой мат­ри­цы и ни­те­вид­но­го кри­стал­ли­че­ско­го на­пол­ни­те­ля. Бла­го­да­ря раз­но­об­раз­ным ком­би­ни­ро­ва­ни­ям этих двух со­став­ля­ю­щих, можно по­лу­чать же­ла­е­мую проч­ность, гиб­кость, упру­гость и т. д. ма­те­ри­а­ла.

Осо­бен­ный ин­те­рес пред­став­ля­ют собой тела, на­зы­ва­ю­щи­е­ся жид­ки­ми кри­стал­ла­ми.

Опре­де­ле­ние. Жид­кие кри­стал­лы – тела, од­но­вре­мен­но об­ла­да­ю­щие свой­ства­ми кри­стал­лов (упо­ря­до­чен­ное стро­е­ние мо­ле­кул и ато­мов) и жид­ко­стей (те­ку­честь). Важ­ней­шее свой­ство жид­ких кри­стал­лов – оп­ти­че­ская ани­зо­тро­пия, то есть неоди­на­ко­вое про­хож­де­ние света по раз­ным на­прав­ле­ни­ям.

Как мы уже говорили, Твёрдые тела способны сохранять форму и объём. Механические свойства твёрдых тел обусловлены их структурой. Нагревание (охлаждение), а также внешнее механическое воздействие на тело может приводить к изменению формы и объёма, т.е. к деформации.

Деформация – изменение формы, размеров тела под действием приложенных к нему сил.

Если после прекращения действия силы, форма и объем тела полностью восстанавливаются, то деформацию называют упругой, а тело - абсолютно упругим. Деформации, которые не исчезают после прекращения действия сил, называются пластическими, а тела - пластичными.

Различают следующие виды деформаций: растяжение, сжатие, сдвиг, кручение и изгиб.

Растяжение (сжатие) – деформация, возникающая под действием в поперечном сечении только продольной (растягивающей или сжимающей) силы.

Сдвиг – деформация, характеризующаяся взаимным смещением параллельных слоёв материала под действием сил, приложенных касательно к его поверхности, при неизменном расстоянии между слоями (рисунок 2).

Рисунок 2 — Сдвиг

Кручение – деформация, характеризующаяся взаимным поворотом поперечных сечений тела под действием пары сил (момента) в этих сечениях (рисунок 3).

Рисунок 3 — Кручение

Изгиб – деформация, при которой происходит изменение кривизны осей тела под действием изгибающих моментов в поперечных сечениях (рисунок 4).

Рисунок 4 — Изгиб

Теперь рассмотрим изменение формы и объема твердых тел при нагревании. Мы знаем, что большинство веществ при нагревании расширяется. Это легко объяснимо с позиции механической теории теплоты, поскольку при нагревании молекулы или атомы вещества начинают двигаться быстрее. В твердых телах атомы начинают с большей амплитудой колебаться вокруг своего среднего положения в кристаллической решетке, и им требуется больше свободного пространства. В результате тело расширяется. Так же тела, по большей части, расширяются с повышением температуры по причине увеличения скорости теплового движения свободных молекул.

Тепловое расширение – увеличение линейных размеров тела и его объема при повышении температуры.

Рисунок 1

Жидкость нельзя нагреть, не нагревая сосуда, в котором она находится. Поэтому мы не можем наблюдать истинного расширения жидкости в сосуде, так как расширение сосуда занижает видимое увеличение объема жидкости. Впрочем, коэффициент объемного расширения стекла и других твердых тел обычно значительно меньше коэффициента объемного расширения жидкости, и при не очень точных измерениях увеличением объема сосуда можно пренебречь.

Наиболее распространенная на Земле жидкость — вода — обладает особыми свойствами, отличающими ее от других жидкостей. У воды при нагревании от 0 до 4 °С объем не увеличивается, а уменьшается. Лишь с 4 °С объем воды начинает при нагревании возрастать. При 4 °С, таким образом, объем воды минимален, а плотность максимальна*. На рисунке 3 показана примерная зависимость плотности воды от температуры.

* Эти данные относятся к пресной (химически чистой) воде. У морской воды наибольшая плотность наблюдается примерно при 3 °С.

Отмеченное особое свойство воды оказывает большое влияние на характер теплообмена в водоемах. При охлаждении воды вначале плотность верхних слоев увеличивается, и они опускаются вниз. Но после достижения воздухом температуры 4 °С дальнейшее охлаждение уже уменьшает плотность, и холодные слои воды остаются на поверхности.

Исходя из всего сказанного, можно сделать вывод:

что объем твердых тел жидкостей и газов зависят от температуры. Наиболее заметно увеличение при нагревании объема у газов; объемное расширение жидкостей менее значительно. Труднее всего заметить изменение объема твердого тела.

Изменение объема тела Δ V зависит от значения его объема до нагревания V 0, разности температур до и после нагревания Δ T , а также от свойств вещества, из которого тело изготовлено.

Так как различные тела при одинаковой температуре ведут себя по-разному. Например, при одинаковой температуре железо расширяется в четыре раза лучше, чем стекло. Это явление характеризуется коэффициентом расширения. Каждое твердое тело обладает собственным коэффициентом расширения.

=

l - длина тела,

l0 - первоначальная длина тела,

α - коэффициент линейного термического расширения,

ΔT - разница температур.

Различное поведение веществ при нагревании используется, например, для биметаллов. Биметалл — это тело, полученное при сплаве двух разных металлов. Биметаллы используются для создания электрических выключателей и термометров, действие которых зависит от температуры.

Если мы нагреем полосу из биметалла, то, например, нижний металл расширится сильнее, чем верхний. Тогда полоса изогнется вверх.

Если мы охладим биметалл, то он примет первоначальную форму.

Коэффициент линейного термического расширения показывает, на какую часть первоначальной длины или ширины изменится размер тела, если его температура повысится на 1 градус.

Если рассматривать стержень твердого вещества длиной 1 метр, то при повышении температуры на один градус длина стержня изменится на такое число метров, которое равно коэффициенту линейного расширения.

10 км  железнодорожного пути при увеличении температуры воздуха на 9 градусов (например, от -5 до +4 ), удлиняются на 10000⋅0,000012⋅9=1,08 метра. По этой причине между участками рельсов оставляют промежутки.

Термическое расширение надо учитывать и в трубопроводах, там используют компенсаторы - изогнутые трубы, которые при изменении температуры воздуха при необходимости могут сгибаться. На рисунке видно, что произойдет, если не будет компенсатора.

Инженерам, проектирующим здания, мосты, оборудование, которые подвержены изменениям температуры, необходимо знать, какие материалы можно соединять, чтобы не образовались трещины.

Электрикам, которые протягивают линии электропередачи, необходимо знать, каким изменениям температуры будут подвержены провода. Если летом провода натянуты, то зимой они оборвутся.

При термическом расширении металлов используют автоматические выключатели тепловых приборов. Этот выключатель состоит из двух плотно соединенных пластин различных металлов ( с различными термическими коэффициентами). Биметаллические пластины под воздействием температуры сгибаются или выпрямляются, замыкая или размыкая электрическую цепь.

С изменением линейных размеров изменяется также и объем тела. Изменение объма тела описывается формулой похожей на формулу линейного расширения, только вместо коэффициента линейного термического расширения используется коэффициент объемного термическогорасширения.

Изменение объема тела под воздействием температуры описывается формулой V=V0(1+β⋅ΔT), где

V - объем тела,

 V0 - первоначальный объем тела,

β - коэффициент объемного термического расширения,

ΔT - разница температур.

Коэффициент объемного термического расширения показывает, на какую часть первоначального объема изменится объем тела после повышения температуры на 1 градус.

Пример:

Если объем спирта при температуре −30°C равен 500л, то при температуре 25°C его объем увеличится на 500⋅0,00011⋅(25−(−30))=3,025л.

Из формулы изменения объема следует, что при повышении температуры объем жидкости увеличивается, но вода в очередной раз отличилась своими уникальными свойствами, так как при нагревании воды до определенной температуры она не расширяется, а сжимается.

Учёт теплового расширения в технике

Из таблицы на странице 124 видно, что коэффициенты расширения твёрдых тел очень малы. Однако самые незначительные, изменения размеров тел при изменении температуры вызывают появление огромных сил.

Опыт показывает, что даже для небольшою удлинения твёрдого тела требуются огромные внешние силы. Так, например, чтобы увеличить длину стального стержня сечением в 1 см² приблизительно на 0,0005 его первоначальной длины, необходимо приложить силу в 1000 кГ. Но такой же величины расширение этого стержня получается при нагревании его на 50°С. Ясно поэтому, что, расширяясь при нагревании (или сжимаясь при охлаждении) на 50°С, стержень будет оказывать давление около 1000   на те тела, которые будут препятствовать его расширению (сжатию).

Огромные силы, возникающие при расширении и сжатии твёрдых тел, учитываются в технике. Так, например, один из концов моста не закрепляют неподвижно, а устанавливают на катках; железнодорожные рельсы не укладывают вплотную, а оставляют между ними просвет; паропроводы подвешивают на крюках, а между отдельными трубами устанавливают компенсаторы, изгибающиеся при удлинении труб паропровода. По этой же причине котёл паровоза закрепляется только на одном конце, другой же его конец может свободно перемещаться.

Мы с вами рассмотрели 3 агрегатных состояния. Какие?

Вещества могут находиться в трёх основных агрегатных состояниях: твёрдом, жидком, газообразном. Силы взаимодействия между частицами (атомами, ионами или молекулами), образующими вещество, обусловливают характерные свойства веществ в разных агрегатных состояниях.

Для твёрдых веществ характерно сильное притяжение между образующими их частицами, вследствие чего они сохраняют объём и форму (несжимаемы). Частицы в твёрдых веществах практически неподвижны и находятся на малом расстоянии друг от друга. Твёрдые вещества могут быть в кристаллическом и аморфном состоянии. Для аморфных веществ, например стекла или смолы, характерно неупорядоченное расположение частиц, отсутствие определённой температуры плавления. Аморфные вещества при нагревании размягчаются и плавятся в некотором температурном интервале. Для кристаллических веществ характерна высокая упорядоченность внутренней структуры. Кристаллические вещества, в отличие от аморфных, имеют строго определённую температуру плавления.

Для жидкостей характерно умеренное взаимодействие между образующими их частицами. Силы притяжения между частицами меньше, чем в твёрдых веществах, поэтому структура жидкостей неупорядоченная, вследствие чего жидкости не имеют собственной формы, но, в отличие от газов, обладают собственным объёмом. Жидкости текучи, практически не сжимаются (сохраняют объём).

Для газов характерно слабое взаимодействие между молекулами. Расстояние между молекулами газа в несколько десятков раз больше размеров молекул. Молекулы газов находятся в постоянном хаотичном движении. Всё это обусловливает способность газов легко сжиматься и расширяться. Газы не имеют собственной формы и собственного объёма, их объём определяется объёмом сосуда, в который они помещены.

Агрегатное состояние любого вещества зависит в первую очередь от температуры и давления. При низком давлении и высокой температуре вещество может перейти в газообразное состояние, а при повышении давления и понижении температуры — в жидкое. Дальнейшее понижение температуры способствует переходу вещества из жидкого состояния в твёрдое. Таким образом, изменение температуры и давления обусловливает фазовые переходы вещества из одного агрегатного состояния в другое.

Рассмотрели расширение твердых тел. А если продолжать нагревать тело?

Фазовые переходы

Плавление вещества переход вещества из твёрдого состояния в жидкое. 

Плавление всегда сопровождается поглощением энергии, т. е. к веществу необходимо подводить теплоту. Внутренняя энергия вещества при этом увеличивается. Плавление чистых кристаллических веществ происходит только при определённой температуре, которая называется температурой плавления. Каждое чистое вещество имеет свою температуру плавления. Например, температура плавления льда составляет , свинца , железа . В процессе плавления температура вещества не изменяется до тех пор, пока всё вещество не расплавится.
Давление мало влияет на температуру плавления, так как при плавлении объём вещества изменяется незначительно. Температура плавления относится к важнейшим физическим свойствам вещества.
При охлаждении жидкого вещества происходит его переход в твёрдое состояние.

Кристаллизация (затвердевание) вещества

переход вещества из жидкого состояния в твёрдое.

Кристаллизация — процесс, обратный плавлению. Кристаллизация всегда сопровождается выделением энергии, при этом внутренняя энергия вещества уменьшается. Кристаллизация чистого вещества происходит при определённой температуре, совпадающей с температурой плавления.
В процессе кристаллизации температура вещества не изменяется до тех пор, пока всё вещество не перейдёт в твёрдое состояние.

Парообразование

переход вещества из жидкого состояния в газообразное.

Парообразование всегда сопровождается поглощением энергии, при этом внутренняя энергия вещества увеличивается.
Различают два вида парообразования: испарение и кипение.

Испарение

парообразование с поверхности жидкости, происходящее при любой температуре.

Скорость испарения зависит от:

• природы жидкости;

• температуры;

• площади поверхности;

• наличия или отсутствия движения воздуха (ветра) над поверхностью испаряемой жидкости.

Кипение

парообразование по всему объёму жидкости, которое происходит только при определённой температуре, называемой температурой кипения.

Каждое чистое вещество имеет свою определённую температуру кипения. Например, у воды температура кипения составляет , у этилового спирта , у кислорода . В процессе кипения температура вещества не изменяется до тех пор, пока всё вещество не перейдёт в газообразное состояние.
На температуру кипения, в отличие от температуры плавления, влияет давление: с ростом давления температура кипения увеличивается. Температура кипения при атмосферном давлении является одной из основных физико-химических характеристик чистого вещества.
При охлаждении газа происходит его переход в жидкое состояние — конденсация.

Конденсация вещества

переход вещества из газообразного состояния в жидкое.

Конденсация — процесс, обратный парообразованию. Конденсация всегда сопровождается выделением энергии, при этом внутренняя энергия вещества уменьшается. Конденсация чистого вещества происходит при определённой температуре, совпадающей с температурой кипения.
В процессе конденсации температура вещества не изменяется до тех пор, пока всё вещество не перейдёт из газообразного состояния в жидкое.
Вещества могут также переходить из твёрдого состоянии в газообразное, минуя жидкое. Такой процесс называется сублимацией или возгонкой, а обратный процесс — десублимацией.

Сублимация

переход вещества из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкое.

Например, чёрные кристаллы иода превращаются (сублимируют) в фиолетовые пары иода. Аналогично может испаряться лёд, на чём основана сушка белья на морозе. При температуре  легко возгоняется «сухой лёд» — твёрдый углекислый газ, который используется для охлаждения пищевых продуктов, например мороженого. С помощью метода сублимационной сушки при пониженном давлении получают некоторые продукты питания, например растворимый кофе.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/558076-konspekt-lekcii-tverdye-tela