Тема 20. Властивості твердих тіл. Механічні деформації

Тверді тіла ділять на дві групи: кристалічні та аморфні тіла.

• Будова кристалів. Частинки кристалів розміщені у вузлах кристалічної решітки у строгому порядку, який взивають дальнім. Весь кристал можна отримати шляхом багаторазового повторення того самого, структурного елемента, який називають елементарною коміркою. Строгий порядок у розміщенні частинок кристала зумовлює його правильну геометричну форму та блиск.

Типи кристалічних решіток.

Решітка кристала може мати дефекти (вакансії, включення, дислокації), які впливають на міцність решітки.
Види кристалів: а) монокристал — один суцільний кристал; б) полікристал— сукупність хаотично розміщених монокристалів, що зрослись.

• Будова аморфних тіл. Кристалічної решітки аморфні тіла не мають. Строгого порядку у розміщенні части­нок немає. Відстані між частинками менші, ніж у рідині, але більші, ніж у кристалів.

До аморфних тіл належать бурштин, скло, смола, плавлений цукор, плавлений кварц та ін. До аморфних тіл відносять і полімери (деревина, природний та синтетичний каучук, поліетилен, пластики), молекули яких мають вигляд довгих ланцюгів, що містять сотні тисяч атомів.

• Властивості кристалів.

— Анізотропія — неоднаковість фізичних (механічних, теплових, електричних, магнітних, оптичних) властивостей у різних напрямках. Анізотропія характерна лише для монокристалів, полікристали є ізотропними, тобто пі властивості у різних напрямках однакові.

— Поліморфізм — кристали, що складаються з однакових атомів, мають різні решітки і тому різні властивості (наприклад, алмаз та графіт).

—Кристали мають сталу температуру плавлення.

• Властивості аморфних тіл.

— ізотропія — властивості у різних напрямках однакові.

— Відсутність сталої температури плавлення: аморфні тіла ріднуть у певному інтервалі температур.

—Аморфний стан є нестійким: з часом аморфні тіла кристалізуються.

• Механічні деформації — це зміна форми і розмірів тіла під дією зовнішніх сил. Унаслідок деформації ви­пікають сили пружності, які їй протидіють. Сили пружності є рівнодійними сил міжмолекулярної взаємодії.

• Види деформації.

— Пружна — деформація, яка зникає після припинення дії зовнішньої сили, що спричинила цю деформацію.

— Пластична — деформація, яка повністю або частково зберігається після припинення дії зовнішньої сили. Пружні і пластичні властивості тіла залежать від його хімічного складу, температури, розмірів, величини деформації.

• Деформацію розтягу або стиску описують такі фізичні величини:

а) абсолютне видовження , де — кінцева довжина тіла, —початкова довжина тіла. Одини­цю вимірювання абсолютного видовження у СІ є 1 м;

б) відносне видовження є — відношення абсолютного видовження до початкової довжини тіла: , яке є безрозмірною величиною;

в) механічна напруга — скалярна величина, що дорівнює відношенню сили пружності до площі поперечного перерізу тіла: . Одиницею вимірювання механічної напруги у СІ є 1 Па =

г) потенціальна енергія деформованого тіла: , де — жорсткість тіла.

• Закон Гука. При невеликих деформаціях розтягу або стиску механічна напруга прямо пропорційна до відносного видовження:

де Е — модуль Юнга (модуль пружності), що залежить від роду речовини. Дані про модуль пружності містяться в таблицях. Одиницею вимірювання модуля Юнга у СІ є 1 Па.

Оскільки, то і , де — жорсткість тіла.

• Діаграма розтягу — експериментально отриманий графік залежності механічної напруги від відносного видовження.

ОА — ділянка пропорційності, на якій справджується закон Гука; — межа пропорційності (точка А) — максимальна механічна напруга, за якої ще справджується закон Гука.

ОВ — ділянка пружності, на якій деформація ще залишається пружною; — межа пружності (точка В) — максимальна механічна напруга, за якої деформація ще залишається пружною. CD — ділянка текучості, на якій тіло видовжується за незмінної механічної напруги.

DE — деформація супроводжується утворенням тонкого перешийка, що призводить до зростання механічної напруги; — межа міцності (точка Е) — максимальна механічна напруга, за якої тіло ще не руйнується. Дані промежу міцності містяться в таблицях. Максимальна сила пружності, що виникає у деформованому тілі, дорівнює .

• Запас міцності — відношення межі міцності до прикладеної механічної напруги:

• Концентрація частинок — це скалярна фізична величина, чисельно дорівнює кількості частинок в одиниці об'єму (1 м³) речовини: . Одиницею вимірювання концентрації у СІ є

• Густина речовини чисельно дорівнює масі одиниці об'єму (1 м³) речовини:

Одиницею вимірювання густини у СІ є 1

• Середня кінетична енергія хаотичного поступального руху молекули газу дорівнює

— середня квадратична швидкість молекул газу.

Середня швидкість руху молекул газу дорівнює

• Температура Т — скалярна величина, що характеризує ступінь нагрітості тіла. Одиницею вимірювання температури у СІ є 1 К.

Температура — міра середньої кінетичної енергії руху молекул. Зв'язок між середньою кінетичною енергією поступального руху молекул і температурою:

— стала Больцмана, яка визначає зв'язок між середньою кінетичною енергією поступального рухумолекул і абсолютною температурою ідеального газу.

Абсолютний нуль (0 К) — температура, за якої припиняється хаотичний рух молекул. Абсолютний нуль досяжний.

Температуру вимірюють термометром. Найчастіше термометри градуюють за шкалою Цельсія, за якою 0 ^ºС — температура танення льоду; — температура кипіння води за нормального атмосферного тиску,

за шкалою Цельсія абсолютний нуль наближено дорівнює

Шкалу, нижня межа якої абсолютний нуль, а ціна поділки така сама, як у шкалі Цельсія, називають аб солютною шкалою температур. Зв'язок між абсолютною температурою та температурою, виміряною за Цельсієм:

• Ідеальний газ — модель газу, для якого можна знехтувати взаємодією частинок. Молекули ідеального газу можна вважати матеріальними точками. Удари молекул ідеального газу між собою та зі стінками посудини абсолютно пружні. Розріджені реальні гази можна вважати ідеальним газом.

• Тиск газу на довільну поверхню зумовлений зіткненнями частинок газу з цією поверхнею. Тиск ідеального можна обчислити за формулами:

Це рівняння називають основним рівнянням МКТ.

• Закон Дальтона. Тиск суміші газів дорівнює сумі тисків окремих компонентів газу (парціальних тисків):

• Нормальні умови: тиск газу дорівнює 100 кПа, абсолютна температура — 273 К.