Свойства твердых тел

    2. Упругие свойства твердых тел, плавление, кристаллизация.

    Всякое твердое тело имеет определенную форму и определенный объем. Если на тело будет действовать сила, она может изменить форму и объем тела. Изменение формы и объема тела под действием силы называется деформацией.

    Если наблюдать деформации твердых тел, то можно заметить, что после снятия деформирующего воздействия некоторые тела при некоторых условиях восстанавливают свою первоначальную плотность, а другие остаются в деформированном виде. Деформации, которые полностью исчезают с исчезновением деформирующего воздействия, называются упругими. Деформации, не исчезающие по снятии деформирующих сил, называют пластическими.

    Строго говоря, если подвергать тело деформации достаточно долго, упругая деформация перейдет в пластическую. Соответственно, вещества, у которых это время перехода достаточно велико (например, годы) называют упругими веществами. Если же время перехода деформации от упругой к пластической составляет порядка секунд или долей секунд, то такие вещества называют пластичными.

    По своим свойствам все твердые тела делятся на упругие, пластичные и хрупкие.

    Если мы будем сгибать линейку или сжимать резинку, а потом прекратим действие силы, то они примут свою первоначальную форму. Такие тела называются упругими телами. Свойство твердых тел восстанавливать свою первоначальную форму и объем, когда действие силы прекращается, называется упругостью. Деформация, которая полностью исчезает после прекращения действия силы на тело, называется упругой деформацией. В обычных условиях упругими веществами считаются резина, сталь.

    В природе есть тела, которые почти не обладают свойствами упругости. Если мы будем сжимать кусок глины или пластилина, а потом прекратим действие силы, то они не смогут восстановить свою первоначальную форму. Эти тела называются пластичными телами. Свойство тел сохранять новую форму, когда действие силы прекращается, называется пластичностью. Деформация, которая не исчезает после прекращения действия силы на тело, называется пластической или остаточной. В обычных условиях пластичными веществами считаются свинец, алюминий, пластилин, сырая глина.

    В природе есть также и хрупкие тела. Если на хрупкое тело будет действовать сила, то это тело разрушится. Стекло и сухая глина являются хрупкими телами.

    Деление всех веществ на упругие и пластичные является условным, так как в природе нет веществ только упругих или только пластичных. Все твердые тела в большей или меньшей степени обладают и упругостью, и пластичностью. Стальная пружина - упругое тело. Но если сильно растянуть такую пружину, то после прекращения действия силы пружина не восстановит свою форму полностью. Сталь в этом случае проявляет свойство пластичности. Свинец считается пластичным веществом. Но если слегка растянуть свинцовую пружину, то после небольшого растяжения свинцовая пружина восстанавливает свою форму. В этом случае свинец проявляет свойство упругости.

    При нагревании пластичность многих веществ увеличивается, а упругость уменьшается.

    Переход деформации от упругой к пластической зависит и от величины самой деформации. При некоторой величине деформации переход от упругости к пластичности осуществляется практически мгновенно. Это предел упругости. Чем выше температура, тем ниже предел упругости для данного вещества.

При упругой  деформации деформирующая сила и  величина деформации пропорциональны. Это закон Гука. Математически  он выражается формулой:

F=k·DL=ES·DL/L,

где Е - модуль продольной упругости (модуль Юнга), S - площадь поперечного сечения, L - длина образца в нерастяженном состоянии, k=ES/L - жесткость тела.

    Как правило, все виды деформации в твердом теле сводятся к двум - растяжению (или сжатию) или сдвигу.

    Растяжение возникает при действии двух равных и противоположно направленных сил.

При одностороннем (продольном) растяжении тело удлиняется и несколько уменьшается в  поперечных размерах. При одностороннем  сжатии наоборот, тело расширяется  в поперечнике.

    Если ввести понятия относительного продольного растяжения или сжатия (e=DL/L), и нормального напряжения (s=F/S), то s=eE.

    Изгиб - деформация, сводящаяся в растяжениям и сжатиям в различных частях тела. Если, например, изогнуть продольную металлическую пластину, то одна ее сторона растянется, а другая сожмется.

    Сдвиг - деформация, обусловленная действием двух равных и противоположно направленных моментов сил. Сдвиг возникает, например, если к верхней части лежащего бруска приложена горизонтальная сила, перекашивающая брусок. При этом горизонтальные слои бруска сдвигаются относительно друг друга.  
При сдвиге:

DL=FL/(GS),

где G - модуль поперечной упругости (модуль сдвига). Особый случай сдвига - кручение. Это деформация, имеющая место в твердом теле, если оно находится под действием двух противоположно направленных моментов, приложенных к противоположным концам тела.

    Переход вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением. Обратный процесс называется отвердеванием. Температура, при которой вещество плавится (отвердевает), называется температурой плавления (отвердевания) вещества. Температура плавления и отвердевания для данного вещества при одинаковых условиях одинакова. При плавлении (отвердевании) температура вещества не меняется. Однако это не значит, что в процессе плавления к телу не надо подводить энергию. Опыт показывает, что если подача энергии путем теплообмена прекращается, то прекращается и процесс плавления. При плавлении подводимая к телу теплота идет на уменьшение связей между частицами вещества, т.е. на разрушение кристаллической решетки. При этом возрастает энергия взаимодействия между частицами. Небольшая же часть теплоты при плавлении расходуется на совершение работы по изменению объема тела, так как у большинства веществ при плавлении объем возрастает. В процессе плавления к телу подводится некоторое количество теплоты, которая называется теплотой плавления: . Теплота плавления пропорциональна массе расплавившегося вещества. Величина (ламбда) называется удельной теплотой плавления вещества, она равна: . Удельная теплота плавления показывает, какое количество теплоты необходимо, чтобы расплавить единицу массы данного вещества при температуре плавления. Она измеряется в Дж/кг, кДж/кг. Количество теплоты, выделяющееся при отвердевании (кристаллизации) тела массой т, также определяется по указанной выше формуле.

    Многочисленные наблюдения за плавлением разных тел показывают, что каждое кристаллическое тело плавится при строго определенной температуре; во время плавления температура тела и образующейся жидкости одинакова и остается постоянной до тех пор, пока все тело не расплавится.

    Если расплавленное вещество охлаждать, то вскоре наступит его кристаллизация – образование кристаллов твердого вещества. Но температура жидкого и твердого веществ во время этого будет оставаться постоянной и равной температуре плавления, пока вся жидкость не отвердеет.

    Плавление и отвердевание тел часто изображают графически. Рассмотрим один из таких графиков. Пусть, например, кусочек свинца положили в ложку и поместили над горелкой.

    На участке AB горелка не была зажжена, и свинец имел комнатную температуру, 20 °С. На этапе BC твердый свинец постепенно прогревался, и вскоре его температура достигла температуры плавления, 327 °С. Затем он начал плавиться, и в ложке одновременно сосуществовали твердый и жидкий свинец (участок CD). После окончания этапа температура свинца вновь стала повышаться, так как пламя все еще продолжало гореть (участок DE). 

    В момент времени, соответствующий точке E, горелку погасили, и температура жидкого свинца начала понижаться (участок EF). Как видите, остывание происходило медленнее, чем нагревание (сравните наклон участков EF и DE). В точке F температура расплава достигла 327 °С и длительное время оставалась постоянной, так как происходила кристаллизация. Следовательно, на участке FG сосуществуют жидкий и твердый свинец. Наконец, на участке GH остывает (отдает теплоту) уже твердый свинец. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                         Заключение

     Твёрдое тело (аморфное либо кристаллическое) - одно из агрегатных состояний вещества, держит как форму, так и объём.

    Атомы и молекулы, составляющие твёрдое тело, плотно упакованы вместе. Другими словами, молекулы твёрдого тела практически сохраняют своё взаимное положение относительно других молекул и удерживаются между собой межмолекулярным взаимодействием.

    Многие твёрдые тела содержат в себе кристаллические структуры. При этом все кристаллы являются твёрдыми телами. Кроме, естественно, жидких кристаллов.

    К физическим свойствам твердых тел относятся механические, тепловые, электрические, магнитные и оптические свойства. Их изучают, наблюдая, как ведет себя образец при изменении температуры, давления или объема, в условиях механических напряжений, электрических и магнитных полей, температурных градиентов, а также под воздействием различных излучений – света, рентгеновских лучей, пучков электронов, нейтронов и т.п. Значительная часть лабораторного оборудования, необходимая для изучения этих свойств, сама состоит из твердотельных устройств. Химические свойства твердых тел особенно существенны при изучении поверхностных явлений.

    Твердое тело состоит из атомов. Само его существование указывает на наличие интенсивных сил притяжения, связывающих атомы воедино, и сил отталкивания, без которых между атомами не было бы промежутков. В результате таких взаимодействий атомы твердого тела частично теряют свои индивидуальные свойства, и именно этим объясняются новые, коллективные свойства системы атомов, которая называется твердым телом. Какова природа этих сил? Свободный атом состоит из положительно заряженного ядра и некоторого числа отрицательно заряженных электронов (масса которых значительно меньше массы ядра). Хорошо известные кулоновские (электрические) силы, действующие между заряженными частицами, создают притяжение между ядром и электронами, а также взаимное отталкивание между электронами. Поэтому твердое тело можно рассматривать как состоящее из системы взаимно отталкивающихся ядер и системы взаимно отталкивающихся электронов, причем обе эти системы притягиваются друг к другу. Физические свойства такого объекта определяются двумя фундаментальными физическими теориями – квантовой механикой и статистической механикой. Хотя характер взаимодействий между частицами известен, их необычайно большое число (~1022 ядер и еще больше электронов в 1 см3) не позволяет дать точное теоретическое описание твердого тела. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                  Список литературы

1. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. М., Высшая школа, 1981.

2. Введение в физику твердого тела. Киттель Ч. М.: Наука, 1978.

3. Гинзбург И.Ф.Введение в физику твердого тела. Основы квантовой механики и статистической физики с отдельными.- СПб.: Лань, 2007.

4. Демидов. С.П. Теория упругости. М.: Высш. шк., 1979.

5. Зиненко В. И., Сорокин Б. П., Турчин П. П. Основы физики твердого тела: Учеб. пособие для вузов. - М.: Издательство Физико-математической литературы, 2001. 

6. Иванова О.Г. Физика. Вводный курс. – Тамбов, 2000.

7. Павлов В.П., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела. Учебник для вузов. - Н. Новгород, 1983.

8. Хрестоматия по физике: Под ред. Б.И.Спасского. – М.: Просвещение, 1982.

9. Школьникам о современной физике. Физика твёрдого тела: Под ред. проф. В.З.Кресина. – М.: Просвещение, 1975.