Модель строения твердых тел.

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования

Кемеровский профессионально-технический техникум

Модель строения твердых тел.

Подготовил: студент

Колногоров Максим

Под руководством: преподавателя физики

Барсукова Юлия Николаевна

г. Кемерово 2015 г.

Большинство веществ на Земле находится в твердом состоянии. Твердые тела сохраняют не только объем, но и форму, т.к. положение в пространстве частиц, составляющих тело, стабильно.

Рассмотрим фазовый переход жидкость - твердое тело. Плотно упакованные молекулы жидкости в основном колеблются относительно положения равновесия. Однако некоторые (наиболее быстрые) молекулы обладают достаточной кинетической энергией для перескока в соседнее положение равновесия. Молекулы жидкости, движущиеся хаотически и имеющие значительную кинетическую энергию, могут проходить соседние положения равновесия, не задерживаясь в них. Движение таких молекул подобно шарику, с большой скоростью проскакивающему углубления.

При охлаждении жидкости из-за уменьшения кинетической энергии молекулы начинают задерживаться около положения устойчивого равновесия. Так же шарик в достаточно глубокой яме и не может из нее выбраться.

Именно так происходит кристаллизация жидкости: при определенной температуре все молекулы оказываются в положении устойчивого равновесия, их относительное расположение становится упорядоченным.

Кристаллизация (затвердевание) - фазовый переход вещества из жидкого состояния в кристаллическое (твердое). Она возникает при охлаждении жидкости.

При кристаллизации жидкости происходит резкий, скачкообразный переход от неупорядоченного расположения частиц к упорядоченному.

Обратный процесс кристаллизации - это плавление.

Плавление - это фазовый переход вещества из кристаллического (твердого) состояния в жидкое.

При повышении температуры твердого тела возрастает кинетическая энергия молекул. При определенной температуре, называемой температурой плавления, кинетическая энергия частиц становится достаточной для их перехода в соседнее положение. При плавлении кристаллическая решетка разрушается.

Подводимое извне количество теплоты идет на разрушение кристаллической решетки, т.е. на увеличение потенциальной энергии молекул. Средняя кинетическая энергия при плавлении не изменяется. Чем больше масса тела, тем большее количество теплоты требуется, чтобы его расплавить его.

Кол-во теплоты, требуемое чтобы расплавить массу m,

Q_пл= λm, где λ-удельная теплота плавления.

Удельная теплота плавления - количество теплоты, необходимое для плавления 1 кг вещества при температуре плавления.

Единица удельной теплоты плавления - джоуль на килограмм (Дж/кг).

При кристаллизации жидкости массой m такое же количество выделяется.

Q_кр= - λm, поэтому λ называется удельной теплотой кристаллизации.

По характеру относительного расположения частиц твердые тела делят на три вида: кристаллические, аморфные и композиты.

При наличии периодичности в расположении атомов твердое тело является кристаллическим.

Кристаллическая решетка - пространственная структура с регулярным, периодически повторяющимся расположением частиц.

Положения равновесия, относительно которых происходят тепловые колебания частиц, является узлами кристаллической решетки.

Кристаллические тела могут быть монокристаллическими и поликристаллическими.

Монокристалл – твердое тело, частицы которого образуют единую кристаллическую решетку.

К монокристаллам относятся природные кристаллы (кварц, алмаз, турмалин), крупинки соли, сахара, соды.

Поликристалл – твердое тело, состоящее из беспорядочно ориентированных монокристаллов.

Примерами поликристаллов являются сахар-рафинад, а также металлические изделия, как вилки ложек, колпаки автомобильных колес.

При отсутствии периодичности в расположении атомов твердое тело является аморфным.

Аморфные тела – твердые тела, для которых характерно неупорядоченное расположение частиц в пространстве. В отличие от кристаллических у аморфных тел нет определенной температуры плавления.

К аморфным телам относятся стекло, резина (включая жевательную), каучук, смолы, пластмассы. Молекулярная структура аморфных тел напоминает хаотическое расположение сваренных макарон.

Третьим видом твёрдого вещества являются композиты. Атомы в композитах располагаются трёхмерно упорядоченно в определенной области пространства, но этот порядок не повторяется с регулярной периодичностью. Композиты, такие как дерево, бетон, кость, кровеносные сосуды и другие состоят из различных, связанных друг с другом материалов.

Жидкие кристаллы

Существует такие вещества, которые обладают одновременно свойствами как жидкостей, так и кристаллов – это жидкие кристаллы (сокращенно ЖК). По структуре ЖК представляют собой жидкости, похожие на желе, состоящие из молекул вытянутой формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости. Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, что открывает широкие возможности для применения их в промышленности.

Применение жидких кристаллов

Одно из важных направлений использования жидких кристаллов — термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества, создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций. Например, жидкие кристаллы в виде плёнки наносят на транзисторы, интегральные схемы и печатные платы электронных схем. Неисправные элементы — сильно нагретые или холодные, неработающие — сразу заметны по ярким цветовым пятнам. Новые возможности получили врачи: жидкокристаллический индикатор на коже больного быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль.

С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары́ вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гамма- и ультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука. От первых индикаторов, знакомых всем по электронным часам, до цветных телевизоров с жидкокристаллическим экраном прошло лишь несколько лет. Такие телевизоры дают изображение весьма высокого качества, потребляя ничтожно малое количество энергии.

Механические свойства твердых тел

Механические свойства твердых тел обусловлены их молекулярной структурой. Внешнее механическое воздействие на тело может приводить к изменению его формы и объёма, т.е. к деформации.

Деформация – это изменение формы и размера твердого тела под действием внешних сил.

Различают два вида деформаций – упругую и пластическую.

Упругая деформация – деформация, исчезающая после прекращения действия внешней силы. Упруго деформируются резина, сталь, человеческое тело, кости и сухожилия.

Пластическая деформация – деформация, сохраняющаяся после прекращения действия внешней силы. Пластичны свинец, алюминий, воск, пластилин.

Упругая деформация. Модуль Юнга.

Рассмотрим упругую деформацию стержня, длина которого а площадь поперечного сечения S, под действием внешней силы F. Деформация стержня прекращается тогда, когда сила упругости становится равной внешней силе. Согласно закону Гука: F_упр = κ∆l,

где ∆l – абсолютное удлинение стержня.

Чтобы добиться аналогичного абсолютного удлинения ∆l стержня двойного сечения, требуется вдвое большая сила, поэтому для характеристики упругих свойств тела вводится механическое напряжение.

Механическое напряжение – физическая величина, равная отношению силы упругости к площади поперечного сечения тела: σ = (1)

Где σ - [Па (в Паскалях)] - механическое напряжение.

Более удобной величиной, чем абсолютное удлинение, является относительное удлинение.

Относительное удлинение равно отношению абсолютного удлинения тела к его первоначальной длине: ε = (2)

Относительное удлинение показывает, какую часть первоначальной длины тела составляет его абсолютное удлинение.

Выражая F_упр и ∆l из равенств (1) и (2) и подставляя их в закон Гука, получаем: σ =

Коэффициент пропорциональности между напряжением и относительным удлинением называется модулем упругости (или модулем Юнга):

E = , где E – [Па] – модуль упругости ( модуль Юнга).

Закон Гука

При упругой деформации тела механическое напряжение прямо пропорционально относительному удлинению тела: σ = Eε.

Закон Гука справедлив лишь при малой деформации, т.е. при малом относительном удлинении ε.

Пластическая деформация. Предел прочности.

Предел упругости – максимальное напряжение в материале, при котром деформация ещё является упругой.

Пластичные материалы – материалы, которые не разрушаются при напряжении, значительно превышающем предел упругости.

Благодаря пластичности алюминий, медь, сталь можно подвергать различной механической обработке: штамповке, изгибу, растяжению. При дальнейшем увеличении деформации материал разрушается.

Предел прочности – максимальное напряжение, возникающее в теле до его разрушения.

E – [Па] – модуль упругости ( модуль Юнга).

σ - [Па (в Паскалях)] - механическое напряжение.