Какое свойство твердых тел учитывается при строительстве
Преподаватель физики Куценко Н. И.
ГБПОУ «Волгоградский колледж
ресторанного сервиса и торговли»
КОНСПЕКТ УРОКА
учебной дисциплины
основной профессиональной образовательной программы
по специальности «Поварское и кондитерское дело»
Физика
Характеристики твёрдого состояния вещества
Планируемые образовательные результаты
Предметные: обучающиеся смогут
различать: кристаллические, аморфные тела и композиты;
характеризовать монокристаллические и поликристаллические твёрдые тела;
объяснять зависимость физических свойств вещества от направления: анизотропность и изотропность.
Метапредметные
Познавательные:
находить в учебнике достоверную информацию;
анализировать тот факт, что от расположения атомов, их периодичности зависит вид твёрдого тела;
строить логическое обоснование зависимости физических свойств твёрдого тела от направления;
исследовательские умения, ставить эксперимент: по сколу шоколада, сахара, соли, карамели, определить вид твёрдого тела;
построение 3-D модели твёрдого тела. (https://www.tflexcad.ru/help/cad/15/conception_3d.htm)
Регулятивные:
прогнозировать результаты исследовательской деятельности;
планировать свою профессиональную конкурсную работу, в номинации кулинарное искусство, при выборе материала для приготовления мастики;
осознание того, что уже усвоено и что ещё нужно усвоить для оценки качества проведенной работы.
Коммуникативные:
Излагать своё мнение при выборе материала из твёрдого вещества для обеспечения безопасности в профессиональной деятельности;
Создавать устные и письменные отчёты в группе для интерпретации результатов практической работы;
Вырабатывать решениядля коллективного презентования продукта исследовательской деятельности;
Преодолевать конфликты: договариваться с одногруппниками, уметь взглянуть на ситуацию с позиции каждого.
Личностные:
Аргументированно оценивать вклад в групповую практическую деятельность каждого из присутствующих и свой личный;
Осознавать свои эмоции, адекватно выражать и контролировать, понимать эмоциональное состояние других;
Осознавать свои черты характера, интересы, цели, позиции, свой мировоззренческий выбор.
Цель урока: Создать условия:
формирования у обучающихся знаний о видах твёрдых тел: кристаллических, аморфных и композитах;
развития представлений о монокристаллах и поликристаллах;
3) совершенствования навыков поиска учебной информации из текста учебника, Интернет ресурсов;
4) развития познавательного интереса, формирования научного мировоззрения, экологического воспитания.
Задачи урока:
1. По описанию кристаллических, аморфных твёрдых тел и композитов дать качественную характеристику их свойств;
2. Теоретически и экспериментально обосновать зависимость физические свойства материалов от направления;
3. На основе анализа исследовательской работы определить характеристики, от которых зависит вид твёрдого тела.
Тип урока: информационно-развивающий
Обеспечение урока: информационные источники, раздаточный материал; модель кристаллической решётки, материалы твёрдых тел.
Технологическая карта урока
1.Организационный:
1.1ознакомлнение с планируемыми образовательными результатами;
1.2.постановка цели и задач урока;
1.3. определение структуры урока;
1.4. инструктирование по безопасному поведению на уроке
Объяснительно-иллюстративный, метод проблемного изложения
Приветствует, поверяет готовность к уроку.
Сообщает тему урока, планируемые образовательные результаты,
Называет структурные элементы урока.
Объясняет инструктаж безопасного поведения на уроке.
Определяет основные направления работы.
Приветствуют.
Готовятся к занятию. Воспринимают и записывают тему урока, узнают о планируемых образовательных результатах урока, делают предположения,
задают уточняющие вопросы; знакомятся с инструкцией по безопасному поведению на уроке, формируют группы для выполнения практической работы, определяют этапы своей работы.
15 мин
2. Основной этап
2.1. Теоретическое описание основных характеристик кристаллических, аморфных твёрдых тел и композитов;
2. 2.Выполнение практической работы для экспериментального исследования зависимости физических свойств материалов от направления;
2.3 . Определение основных характеристик вещества на основе анализа исследовательской работы.
Эвристический метод с элементами исследовательской деятельности
Вспомогательная деятельность в подборе информации. Корректирующая помощь в практической работе, уточнение графической вариации свойств вещества; помощь в организации групповой работы обучающихся.
Наблюдение за исполнением правил безопасного поведения
По учебникам и карточкам выбирают материал, характеризующий кристаллические, аморфные твёрдые тела и композиты;
Выполняют практическую работу: по сколу шоколада, кусков сахара, соли, карамели, леденца определяют принадлежность вещества к виду твёрдого тела;
исследуют зависимость физические свойства от направления;
определяют основные характеристики, от которых зависят или не зависит вид твёрдого тела.
40 мин
3. Заключительный этап
3.1. Рефлексия
3.2. Презентация полученных результатов.
3.3.Выводы
3.4.Д/з
Метод самоанализа
Готовит фразы для рефлексивного ряда на доске: сегодня я узнал…
было интересно…
было трудно…
я выполнял задания…
я понял, что…
теперь я могу…
я почувствовал, что…
я приобрел…
я научился…
у меня получилось …
я смог…
я попробую…
меня удивило…
урок дал мне для жизни…
мне захотелось… Помогает обучающимся сформулировать получаемые результаты, презентовать продукт работы.
Ребята по кругу высказываются одним предложением, выбирая начало фразы из рефлексивного ряда самоанализ своей деятельности и её результатов.
Делают выводы о выполненной работе, показывают результаты в форме стендового сообщения. Называют механические свойства материалов, которые характеризуют возможность их использования в изделиях, эксплуатируемых при воздействии внешних нагрузок (Пряничный домик): прочность; твердость;
триботехнические характеристики.
Их параметры существенно зависят от материала, размеров и состояния исследуемых образцов и
обусловлены силами взаимодействия частиц, составляющих твёрдое вещество.
35 мин
Теоретический материал
Твердые тела, в отличие от жидких тел, сохраняют не только объем, но и форму. Потенциальная энергия молекул или атомов твердого тела, обусловленная силами притяжения между ними, значительно превышает кинетическую энергию молекул или атомов, которые колеблются около определенных положений равновесия (Е п >>Ек). Если соединить центры положений равновесия атомов, молекул или ионов твердого тела, то получится правильная пространственная решетка, называемая кристаллической.
Кристаллы – это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают определенные, упорядоченные положения в пространстве, т.е. для кристаллов характерен дальний порядок в расположении частиц.
Одиночные кристаллы называют монокристаллами. Они представляют собой тела, ограниченные плоскими гранями. У разных монокристаллов одного и того же вещества углы между соответственными гранями одинаковы, что в первую очередь позволяет различать кристаллы. К монокристаллам, встречающимся в природе, относятся горный хрусталь, алмаз, турмалин и др. Для монокристаллов характерна анизотропия.
Анизотропия – это зависимость физических свойств от выбранного в кристалле
направления. По разным направлениям кристалл имеет различную механическую прочность, по-разному проводит теплоту и электрический ток, имеет разные оптические свойства.
Металлы, сплавы и многие горные породы имеют кристаллическую структуру. Если взять большой кусок металла, то ни внешне, ни в физических свойствах кристаллическое строение никак не проявляется. В обычном состоянии металлы не обнаруживают анизотропии.
Обычно металл состоит из огромного числа сросшихся друг с другом кристаллов, расположенных беспорядочно. В связи с этим в объеме много больше объема отдельных кристаллов, все направления равноправны и свойства металлов одинаковы по всем направлениям.
Твердое тело, состоящее из большого числа маленьких кристалликов, называют поликристаллическим.
Существуют твердые тела, у которых нет строгого порядка в расположении атомов. Только ближайшие соседние атомы располагаются в некотором порядке. Для таких тел, как и для жидкостей, характерен ближний порядок в расположении атомов. Их называют аморфными (греч. amorphos – бесформенный)
Аморфными являются стекло, пластмассы, смола, канифоль, леденцы и др.
Часто одно и то же вещество может быть кристаллическим и аморфным. Все аморфные тела изотропны, то есть их физические свойства одинаковы по всем направлениям. Аморфные тела одновременно упруги (как твердые тела) и текучи (как жидкость).
Твердые тела сохраняют форму, но под действием сил, приложенных к ним,
форма тел меняется, то есть происходит деформация.
Деформацией называется изменение формы или размеров тела.
Деформации, которые полностью исчезают после прекращения действия внешних сил, называются упругими.
Свойство деформированных тел принимать первоначальную форму и объем после прекращения действия внешних сил называется упругостью (пружина, стальные шарики при столкновении и др.).
Деформации, которые не исчезают после прекращения действия внешних сил, называются пластическими.
Свойство деформированных тел сохранять деформацию после прекращения действия внешних сил, называется пластичностью (глина, воск, свинец – при небольших, но длительных воздействиях).
Деление материалов на упругие и пластичные условно, т.к. каждый материал обладает упругостью и пластичностью. Опыт показывает, что при постепенном увеличении нагрузок на материал в теле сначала возникают упругие деформации, а затем пластические.
В машиностроении также приходится учитывать такие механические свойства как хрупкость и твердость.
Существуют материалы, которые при небольших нагрузках упруго деформируются, а при увеличении нагрузки разрушаются прежде, чем у них появится пластическая деформация. Такие материалы называются хрупкими (стекло, кирпич). Хрупкие материалы очень чувствительны к ударной нагрузке.
Твердость материала определяется разными способами. Обычно более твердым считается тот материал, который оставляет царапины на поверхности другого материала. Наиболее твердым материалом считается алмаз. На практике при механических воздействиях на твердые тела встречаются различные виды деформаций, такие как деформация растяжения (сжатия), деформации поперечного и продольного изгиба, деформация кручения, деформация сдвига и др.
Рассмотрим некоторые из них.
1. Деформация растяжения (сжатия)
Если однородный стержень закрепить одним концом, приложить силу F вдоль оси стержня в направлении от этого конца, то стержень подвергается деформации растяжения.
Деформацию растяжения испытывают тросы, канаты, цепи в подъемных устройствах, стяжки между вагонами. Если на тот же стержень действовать силой F , направленной к закрепленному
концу, то стержень подвергается деформации сжатия.
Относительная деформация: ε < 0.
Деформации сжатия подвергаются столбы, колонны, стены, фундаменты стен. При растяжении или сжатии изменяется площадь поперечного сечения тела.
2. Деформация сдвига
Деформацию, при которой происходит смещение слоев тела друг относительно друга, называют деформацией сдвига. Угол сдвига γ прямо пропорционален величине приложенной силы.
Деформацию растяжения характеризуют абсолютным удлинением:
∆ ℓ = ℓ — ℓ0
и относительным удлинением:
ε = ∆ ℓ / ℓ0
ℓ0 – начальная длина;
ℓ — конечная длина стержня.
Деформацию сдвига испытывают балки в местах опор, заклепки и болты, скрепляющие детали.
Механические свойства твердых тел существенно зависят от температуры. Например, нагретая сталь приобретает пластичность (ковкость), а резина при очень низкой температуре становится хрупкой. При нагревании твердого тела увеличиваются средние расстояния между
молекулами или атомами, находящимися в узлах кристаллической решетки, и объем кристалла увеличивается.
Тепловым расширением называется линейное увеличение размеров тела и
его объема, происходящее при повышении температуры.
1. Линейное расширение
Линейное тепловое расширение характеризуется температурным коэффициентом линейного расширения . Этот коэффициент показывает относительное изменение линейных размеров тела, выполненного из данного материала при изменении температуры на 1К. Пусть при Т0 тело имеет длину ℓ0 . При нагревании до температуры Т его длина увеличивается до ℓ, то есть на ∆ ℓ = ℓ — ℓ0 .
Относительное удлинение тела составит ∆ ℓ / ℓ0 .
Температурный коэффициент линейного расширения – это величина, равная отношению относительного удлинения тела к изменению его температуры на ∆Т = Т – Т0
= ∆ ℓ / ℓ0 ∆Т
Отсюда конечная длина тела определится:
ℓ = ℓ0 (1+ ∆Т )
Температурный коэффициент линейного расширения зависит от рода вещества и дается в таблице.
2. Объемное расширение
С увеличением температуры увеличивается объем твердого тела. Коэффициент объемного расширения — величина, равная отношению относительного увеличения объема ∆V / V0 тела к изменению температуры тела ∆Т:
= ∆V / V0∆Т
Связь между и : = 3
В технике необходимо учитывать тепловое расширение твердых тел. Например, при натягивании проводов на линиях электропередач, устройстве паропроводов (использование петель-компенсаторов), сооружении мостов, прокладке рельс. При строительстве зданий необходимо подбирать материалы с одинаковым коэффициентом объемного расширения. Иначе при изменении температуры в стенах возникнут трещины и перекосы, что может привести все сооружение в аварийное состояние, как и при строительстве пряничного домика, изделий из карамели или мастики.
Свойства твердых веществ
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 три способа воздействия, соответствующие трём видам энергии (механической, термической, электромагнитной).
Соответственно им существует три группы физических свойств твердых веществ:
Механические свойства, связанные с напряжением и деформацией тел. По этим критериям твердые вещества делят на подгруппы: 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 свойства, проявляются 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 свойства, связанные с воздействием на твердое вещество потоков микрочастиц и электромагнитных волн большой жесткости. К ним условно относят и радиационные свойства.
Домашнее задание:
изучить записи в тетради;
составить план-характеристику твёрдого тела;
охарактеризовать леденцы, соль, дерево.
Перечень рекомендуемых учебных изданий, Интернет-ресурсов, дополнительной литературы
ОСНОВНАЯ
Мякишев Г. Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика. 10 класс. – М., Просвещение, 2014
Рымкевич А. П..Сборник задач по физике 10-11 классы.– М., Дрофа , 2013
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ
Дмитриева В.Ф. Физика: Учебник для студентов образовательных учреждений начального и среднего профессионального образования.. — 7-е изд., перераб. и доп. М.., «Академия», 2014.
Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для образовательных учреждений начального и среднего профессионального образования.- М., Образовательно-издательский центр «Академия» — 2014 г.
Рассказова Г. А. Физика. 9 – 11 классы. В таблицах и схемах., ИП Милосердов И. В., 2011.
Степанова Г.Н. Сборник задач по физике 10-11 классы.– М., Просвещение,2013
ИНТЕРНЕТ-РЕСУРСЫ
st-books.ru- Лучшая учебная литература.
www.school.edu.ru/default.asp- Российский образовательный портал. Доступность, качество, эффективность.
https://www.alleng.ru/edu/phys.htm- Образовательные ресурсы Интернета — Физика.
https://school-collection.edu.ru/catalog/pupil/?subject=30- Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов.
https://fiz.1september.ru/- Учебно-методическая газета «Физика».
dic.academic.ru- Академик. Словари и энциклопедии.
https://festival.1september.ru
https://4ege.ru/fizika
https://phys-i.narod.ru
Приложение
10
Модель расположения атомов в кристалле твёрдого тела
Твёрдое тело — одно из четырёх основных агрегатных состояний вещества, отличающееся от других агрегатных состояний (жидкости, газов, плазмы) стабильностью формы и характером теплового движения атомов, совершающих малые колебания около положений равновесия[1].
Различают кристаллические и аморфные твёрдые тела. Раздел физики, изучающий состав и внутреннюю структуру твёрдых тел, называется физикой твёрдого тела. То, как твёрдое тело меняет форму при воздействиях и движении, изучается отдельной дисциплиной — механикой твёрдого (деформируемого) тела. Движением абсолютно твёрдого тела занимается третья наука — кинематика твёрдого тела.
Технические приспособления, созданные человеком, используют различные свойства твёрдого тела. В прошлом твёрдое тело применялось как конструкционный материал и в основе употребления лежали непосредственно ощутимые механические свойства как то твёрдость, масса, пластичность, упругость, хрупкость. В современном мире применение твёрдого тела основывается также на физических свойствах, которые зачастую обнаруживаются только при лабораторных исследованиях.
Описание[править | править код]
Схематическое изображение атомной структуры неупорядоченного аморфного (слева) и упорядоченного кристаллического (справа) твёрдого тела.
Твёрдые тела могут быть в кристаллическом и аморфном состоянии. Кристаллы характеризуются пространственной периодичностью в расположении равновесных положений атомов[1], которая достигается наличием дальнего порядка[2] и носит название кристаллической решётки. Естественная форма кристаллов — правильные многогранники[3]. В аморфных телах атомы колеблются вокруг хаотически расположенных точек[1], у них отсутствует дальний порядок, но сохраняется ближний, при котором молекулы расположены согласованно на расстоянии, сравнимом с их размерами. Частным случаем аморфного состояния является стеклообразное состояние[2]. Согласно классическим представлениям, устойчивым состоянием (с минимумом потенциальной энергии) твёрдого тела является кристаллическое. Аморфное тело находится в метастабильном состоянии и с течением времени должно перейти в кристаллическое состояние, однако время кристаллизации часто столь велико, что метастабильность вовсе не проявляется. Аморфное тело можно рассматривать как жидкость с очень большой (часто бесконечно большой) вязкостью[2].
- Атомы и молекулы, составляющие твёрдое тело, плотно упакованы вместе. Другими словами, молекулы твёрдого тела практически сохраняют своё взаимное положение относительно других молекул[4] и удерживаются между собой межмолекулярным взаимодействием.
- Многие твёрдые тела содержат в себе кристаллические структуры. В минералогии и кристаллографии под кристаллической структурой подразумевается определённый порядок атомов в кристалле. Кристаллическая структура состоит из элементарных ячеек, набора атомов расположенных в особенном порядке, который периодически повторяется во всех направлениях пространственной решётки. Расстояния между элементами этой решётки в различных направлениях называют параметром этой решётки. Кристаллическая структура и симметричность играют роль в определении множества свойств, таких как спайность кристалла, электронная зонная структура и оптические свойства.
- При применении достаточной силы любое из этих свойств может быть нарушено, вызывая остаточную деформацию.
- Твёрдые тела обладают тепловой энергией, следовательно их атомы совершают колебательное движение. Тем не менее это движение незначительно и не может наблюдаться или быть почувствованным при нормальных условиях.
Свойства твёрдого тела и движение частиц в нём исследуются в разделе физики, который называется физикой твёрдого тела (подраздел физики конденсированных сред). Физика твёрдого тела является самостоятельной научной дисциплиной со специфическими методами исследования и математическим аппаратом. Её развитие диктуется практическими потребностями[2]. В зависимости от объекта исследования физика твёрдого тела делится на физику металлов, полупроводников, магнетиков и других. По методам исследования различают рентгеновский структурный анализ, радиоспектроскопию и тому подобное. Кроме того, присутствует деление, связанное с изучением определённых свойств (механических, тепловых и так далее)[1][2].
Материаловедение главным образом рассматривает вопросы, связанные со свойствами твёрдых тел, такими как твёрдость, предел прочности, сопротивление материала нагрузкам, а также фазовые превращения. Это значительным образом совпадает с вопросами, изучаемыми физикой твёрдого тела. Химия твёрдого состояния перекрывает вопросы, рассматриваемые обоими этими разделами знаний, но особенно затрагивает вопросы синтезирования новых материалов.
Классификация твёрдых тел[править | править код]
Электрические и некоторые другие свойства твёрдых тел, в основном, определяются характером движения внешних электронов его атомов[1]. Выделяют пять классов твёрдых тел в зависимости от типа связи между атомами[2]:
- Ионная связь (например, NaCl). Основными силами являются силы электростатического притяжения. Характерные свойства: в инфракрасной области — отражение и поглощение света в инфракрасной области; при низких температурах — малая электропроводность: при высоких температурах — хорошая ионная проводимость.
- Ковалентная связь (например, С (алмаз), Ge, Si).
- Металлическая связь (например, Cu, Al).
- Молекулярная связь (например, Ar[источник не указан 1373 дня], СН4).
- Водородная связь (например, Н2О (лёд), HF).
По виду зонной структуры твёрдые тела классифицируют на проводники, полупроводники и диэлектрики.
- Проводники — зона проводимости и валентная зона перекрываются, таким образом электрон может свободно перемещаться между ними, получив любую допустимо малую энергию. Таким образом, при приложении к твёрдому телу разности потенциалов, электроны смогут свободно двигаться из точки с меньшим потенциалом в точку с большим, образуя электрический ток. К проводникам относят все металлы.
- Полупроводники — зоны не перекрываются и расстояние между ними составляет менее 4 эВ. Для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется энергия меньшая, чем для диэлектрика, поэтому чистые (собственные, нелегированные) полупроводники слабо пропускают ток.
- Диэлектрики — зоны не перекрываются и расстояние между ними составляет более 4 эВ. Таким образом, для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия, поэтому диэлектрики ток практически не проводят.
По магнитным свойствам твёрдые тела делятся на диамагнетики, парамагнетики и тела с упорядоченной магнитной структурой[1]. Диамагнетические свойства, которые слабо зависят от агрегатного состояния или температуры, обычно перекрываются парамагнитными, которые являются следствием ориентации магнитных моментов атомов и электронов проводимости. По закону Кюри парамагнитная восприимчивость убывает обратно пропорционально температуре и при температуре 300 К обычно составляет 10−5. Парамагнетики переходят в ферромагнетики, антиферромагнетики или ферримагнетики при понижении температуры[2].
Историческая справка[править | править код]
Несмотря на то, что твёрдые тела (металлы, минералы) исследовались давно, всестороннее изучение и систематизация информации об их свойствах началось с XVII века. Начиная с этого времени был открыт ряд эмпирических законов, которые описывали влияние на твёрдое тело механических сил, изменения температуры, света, электромагнитных полей и т. д. Были сформулированы:
- закон Гука (1678);
- закон Дюлонга — Пти (1819);
- закон Ома (1826);
- закон Видемана — Франца (1853) и другие.
Уже в первой половине XIX века были сформулированы основные положения теории упругости, для которой характерно представление о твёрдом теле как о сплошной среде.
Целостное представление о кристаллической структуре твёрдых тел, как совокупности атомов, упорядоченное размещение которых в пространстве обеспечивается силами взаимодействия было сформировано Огюстом Браве в 1848 году, хотя первые идеи такого рода высказывались в трактатах Николаса Стено (1669), Рене Жюста Гаюи (1784), Исааком Ньютоном в работе «Математические начала натуральной философии» (1686), в которой рассчитана скорость звука в цепочке упруго связанных частиц, Даниилом Бернулли (1727), Огюстеном Луи Коши (1830) и другими.
Фазовые переходы[править | править код]
При повышении температуры твёрдые тела переходят в жидкое или газообразное состояние. Переход твёрдого тела в жидкость называется плавлением, а переход в газообразное состояние, минуя жидкое, — сублимацией. Переход к твёрдому телу (при понижении температуры) — кристаллизация, к аморфной фазе — стеклование.
Существуют также фазовые переходы между твердотельными фазами, при которых изменяется внутренняя структура твёрдых тел, становясь упорядоченной при понижении температуры.
При атмосферном давлении и температуре Т > 0 К все вещества в природе затвердевают. Исключение составляет гелий, для кристаллизации которого необходимо давление 24 атм[2].
Физические свойства[править | править код]
Под физическими свойствами твёрдых тел понимается их специфическое поведение при воздействии определённых сил и полей. Существует три основных способа воздействия на твёрдые тела, соответствующие трём основным видам энергии: механический, термический и электромагнитный. Соответственно выделяют три основные группы физических свойств.
Механические свойства связывают механические напряжения и деформации тела, согласно результатам широких исследований механических и реологических свойств твёрдых тел, выполненных школой академика П. А. Ребиндера, можно разделить на упругие, прочностные, реологические и технологические. Кроме того, при воздействии на твёрдые тела жидкостей или газов проявляются их гидравлические и газодинамические свойства.
К термическим относят свойства, которые оказываются под воздействием тепловых полей. В электромагнитные свойства условно можно отнести радиационные, проявляющиеся при воздействии на твёрдое тело потоков микрочастиц или электромагнитных волн значительной жёсткости (рентгеновских лучей, гамма-лучей).
Легчайшим известным твёрдым материалом является аэрогель. Некоторые виды аэрогеля имеют плотность 1,9 мг/см³ или 1,9 кг/м³ (1/530 плотности воды).
Механические свойства[править | править код]
В покое твёрдые тела сохраняют форму, но деформируются под воздействием внешних сил. В зависимости от величины приложенной силы деформация может быть упругой, пластической или разрушительной. При упругой деформации тело возвращает себе первоначальную форму после снятия приложенных сил. Отзыв твёрдого тела на прилагаемое усилие описывается модулями упругости. Отличительной особенностью твёрдого тела по сравнению с жидкостями и газами является то, что оно сопротивляется не только растяжению и сжатию, а также сдвигу, изгибу и кручению.
При пластической деформации начальная форма не сохраняется. Характер деформации зависит также от времени, в течение которого действует внешняя сила. Твёрдое тело может деформироваться упруго при мгновенном действии, но пластически, если внешние силы действуют длительное время. Такое поведение называется ползучестью. Одной из характеристик деформации является твёрдость тела — способность сопротивляться проникновению в него других тел.
Каждое твёрдое тело имеет присущий ему порог деформации, после которого наступает разрушение. Свойство твёрдого тела сопротивляться разрушению характеризуется прочностью. При разрушении в твёрдом теле появляются и распространяются трещины, которые в конце концов приводят к разлому.
К механическим свойствам твёрдого тела принадлежит также его способность проводить звук, который является волной, переносящий локальную деформацию с одного места в другое. В отличие от жидкостей и газов в твёрдом теле могут распространяться не только продольные звуковые волны, но и поперечные, что связано с сопротивлением твёрдого тела деформации сдвига. Скорость звука в твёрдых телах в целом выше, чем в газах, в частности в воздухе, поскольку межатомное взаимодействие гораздо сильнее. Скорость звука в кристаллических твёрдых телах характеризуется анизотропией, то есть зависимостью от направления распространения.
Тепловые свойства[править | править код]
Важнейшим тепловым свойством твёрдого тела является температура плавления — температура, при которой происходит переход в жидкое состояние. Другой важной характеристикой плавления является скрытая теплота плавления. В отличие от кристаллов, в аморфных твёрдых телах переход к жидкому состоянию с повышением температуры происходит постепенно. Его характеризуют температурой стеклования — температурой, выше которой материал почти полностью теряет упругость и становится очень пластичным.
Изменение температуры вызывает деформацию твёрдого тела, в основном повышение температуры приводит к расширению. Количественно она характеризуется коэффициентом теплового расширения. Теплоёмкость твёрдого тела зависит от температуры, особенно при низких температурах, однако в области комнатных температур и выше, множество твёрдых тел имеют примерно постоянную теплоёмкость (закон Дюлонга — Пти). Переход к устойчивой зависимости теплоёмкости от температуры происходит при характерной для каждого материала температуре Дебая. От температуры зависят также другие характеристики твердотельных материалов, в частности механические: пластичность, текучесть, прочность, твёрдость.
Электрические и магнитные свойства[править | править код]
В зависимости от величины удельного сопротивления твёрдые тела разделяются на проводники и диэлектрики, промежуточное положение между которыми занимают полупроводники. Полупроводники имеют малую электропроводность, однако для них характерен её рост с температурой. Электрические свойства твёрдых тел связаны с их электронной структурой. Для диэлектриков свойственна щель в энергетическом спектре электронов, которую в случае кристаллических твёрдых тел называют запрещённой зоной. Это область значений энергии, которую электроны в твёрдом теле не могут иметь. В диэлектриках все электронные состояния, ниже щели заполнены, и благодаря принципу Паули электроны не могут переходить из одного состояния в другое, чем обусловлено отсутствие проводимости. Проводимость полупроводников очень сильно зависит от примесей — акцепторов и доноров.
Существует определённый класс твёрдых тел, для которых характерна ионная проводимость. Эти материалы называют супериониками. В основном это ионные кристаллы, в которых ионы одного сорта могут достаточно свободно двигаться между незыблемой решёткой ионов другого сорта.
При низких температурах для некоторых твёрдых тел свойственна сверхпроводимость — способность проводить электрический ток без сопротивления.
Существует класс твёрдых тел, которые могут иметь спонтанную поляризацию — пироэлектрики. Если это свойство характерно только для одной из фаз, что существует в определённом промежутке температур, то такие материалы называются сегнетоэлектриками. Для пьезоэлектриков характерна сильная связь между поляризацией и механической деформацией.
Ферромагнетикам свойственно существование спонтанного магнитного момента.
Оптические свойства твёрдых тел очень разнообразны. Металлы, в основном, имеют высокий коэффициент отражения света в видимой области спектра, многие диэлектрики прозрачные, как, например, стекло. Часто цвет того или другого твёрдого тела обусловлен поглощающими свет примесями. Для полупроводников и диэлектриков характерна фотопроводимость — увеличение электропроводности при освещении.
Идеализации твёрдого тела в науках[править | править код]
Твёрдые тела, встречающиеся в природе, характеризуются огромным количеством разнообразных свойств, которое постоянно растёт.
В зависимости от поставленных перед определённой наукой задач важны лишь отдельные свойства твёрдого тела, другие — несущественн