Відмінності між версіями «Тверде тіло»

агрегатний стан речовини, що характеризується стабільністю форми
[перевірена версія][очікує на перевірку]
 
(Не показано 3 проміжні версії 2 користувачів)
Рядок 1: Рядок 1:
[[Файл:Fcc_lattice_4.jpg|thumb|Модель будови кристалічного твердого тіла]]
[[Файл:Fcc_lattice_4.jpg|thumb|Модель будови кристалічного твердого тіла]]
'''Тверде́ ті́ло''' ({{lang-en|solid}})&nbsp;— один з чотирьох основних [[агрегатний стан речовини|агрегатних станів речовини]], що відрізняється від інших агрегатних станів ([[Рідина|рідини]],[[газ]]ів, [[Плазма|плазми]]) стабільністю форми і характером теплового руху атомів, що здійснюють малі коливання біля положень рівноваги. <ref name="rosnano">{{cite web|url=http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article1779|title=Твёрдое тело|author=Стрелецкий Алексей Владимирович, Наймушина Дарья Анатольевна|publisher=[[Роснано]]|accessdate=2012-03-08|archiveurl=https://www.webcitation.org/684lnIMzp?url=http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article1779|archivedate=2012-05-31|deadlink=no}}</ref>.
'''Тверде́ ті́ло''' ({{lang-en|solid}})&nbsp;— [[агрегатний стан]] речовини, що характеризується стабільністю [[форма|форми]] на відміну від інших [[агрегатний стан|агрегатних станів]]&nbsp; [[Рідина|рідини]], [[Плазма (агрегатний стан)|плазми]] та [[газ]]у. [[Атом]]и твердих тіл більшість часу проводять в околі певних рівноважних положень, здійснюючи тільки незначні теплові коливання.


== Загальний опис ==
Будову, властивості та поведінку твердих тіл вивчають: окрема область фізики&nbsp;— [[фізика твердого тіла]], [[Хімія|хімії]]&nbsp;— [[хімія твердого тіла]], прикладні науки&nbsp;— [[матеріалознавство]], [[теоретична механіка]], [[механіка деформівного твердого тіла]].
{{Photomontage
| photo1a = Silica.svg
| photo1b = SiO² Quartz.svg
| text = Розташування атомів у аморфному [[скло|склі]] і кристалічному [[кварц]]і
| position = right
| size = 500
| color = #FFFFFF }}


За типом упорядкування атомів розрізняють [[ кристал | кристалічний]] і аморфний стани речовини.
== Класифікація твердих тіл ==
Кристали характеризуються просторової періодичністю в розташуванні рівноважних положень атомів. <ref name = "rosnano" /> У кристалах середні положення атомів чи молекул строго впорядковані. Кристалічні тіла зберігають не тільки [[ближній порядок|ближній]], а й [[дальній порядок]]. Природна форма кристалів ─ правильні [[багатогранник]]и. <ref name="БСЭ">{{БСЭ3|заглавие=Твёрдое тело}}</ref>
{{multiple image
Більшисть речовин у твердому стані має кристалічну структуру. В цьому легко переконатися якщо розколоти шматок речовини і розглянути злам.
| align = right
На зламі кристалічних речовин (наприклад, у цукру, солі, сірки, металів) добре помітні розташовані під різними кутами дрібні грані кристалів, що поблискують внаслідок різного відбиття ними світла.
| image1 = Silica.svg
При розколюванні аморфних твердих речовин, наприклад, звичайного скла,[[Пластмаси|пластмаси]], шматків смоли, парафіну, і так далі, злам виявляється гладким і, на відміну від зламів кристалів, обмежений не плоскими, а овальними поверхнями. {{sfn|Глинка Н.Л. |2003| c=162—-163}}
| alt1 = Atoms of Si and O; each atom has the same number of bonds, but the overall arrangement of the atoms is random.
| width1 = 158
| image2 = SiO² Quartz.svg
| alt2 = Regular hexagonal pattern of Si and O atoms, with a Si atom at each corner and the O atoms at the centre of each side.
| width2 = 300
| footer = Схематичне зображення атомної структури невпорядкованого аморфного (зліва) та впорядкованого кристалічного (справа) твердого тіла.
}}
Властивості твердих тіл визначаються їх хімічним складом і залежать від характеру міжатомних зв'язків, типу [[кристалічна структура|кристалічної структури]] та ступеня кристалічної досконалості, а також від фазового складу. Залежно від кількості складових компонентів, що входять в них, тверді тіла можна поділити на прості (однокомпонентні) і складні (багатокомпонентні), останні у свою чергу, можуть бути [[хімічна сполука|хімічною сполукою]] ([[неорганічні сполуки|неорганічною]] або [[органічні сполуки|органічною]]) або [[твердий розчин|твердими розчинами]] різного типу ([[тверді розчини заміщення|заміщення]], [[Тверді розчини проникнення|вкорінення]]).


За типом упорядкування атомів розрізняють [[кристал]]ічні і [[Аморфні речовини|аморфні]] тверді тіла. Кристали характеризуються наявністю просторової періодичності в розміщенні рівноважних положень коливань атомів, тобто наявністю [[Кристалічна ґратка|кристалічної ґратки]]. Атоми аморфних твердих тіл коливаються поблизу невпорядковано розміщених точок.
== Класифікація кристалічних тіл ==


За типом часток, що знаходяться у вузлах кристалічної ґрати, і за типом їх взаємодії, що переважають в цьому кристалі, розрізняють ґрати:
Типи [[Хімічний зв'язок|зв'язку]] між атомами у твердих тілах поділяють на п'ять класів:
* [[Іонний зв'язок]] (наприклад, [[Хлорид натрію|NaCl]]). Основними силами є сили електростатичного притягання.
* [[Ковалентний зв'язок]] (наприклад, С ([[алмаз]]), [[Германій|Ge]], [[Si]]). Атоми поділяють одну або більше спільних пар електронів, що спричиняють їх взаємне притягування.
* [[Металічний зв'язок]] (наприклад, [[Cu]], [[Al]]). Зв'язок між атомами реалізується за рахунок узагальнення їх валентних електронів.
* [[Молекулярні кристали|Молекулярний зв'язок]] (наприклад, [[Аргон|Ar]], СН<sub>4</sub>). Кристал, що утворений з молекул, які пов'язані між собою [[Сили Ван дер Ваальса|ван-дер ваальсовими силами]].
* [[Водневий зв'язок]] (наприклад, Н<sub>2</sub>О ([[лід]]), H<sub>2</sub>F). Зв'язок, що реалізується за [[донорно-акцепторний зв'язок|донорно-акцепторним]] механізмом.


• Молекулярні
За домінуючими механічними властивостями в умовах деформування під навантаженням виділяють [[пружність|пружні]], [[Пластичність матеріалу|пластичні]], [[в'язкість|в'язкі]] та [[крихкість|крихкі]] тверді тіла.
• Атомні
• Іонні
• Металеві
• Водневі


У молекулярних кристалах молекули пов'язані між собою молекулярними силами. В атомних кристалах атоми речовини пов'язані один з одним ковалентним зв'язком. У вузлах іонних ґрат по черзі розташовуються позитивно і негативно заряджені іони. Вони пов'язані один з одним силами електростатичного тяжіння. У вузлах металевих ґрат розташовуються атоми металу, в проміжках між якими рухаються загальні для цих атомів електрони. Нарешті, кристали з водневим зв'язком характеризуються поділом ядер між електронегативними атомами. {{sfn| Даниэльс Ф., Олберти Р.|1978| c=586}} Водневі зв'язки зустрічаються в багатьох органічних і неорганічних сполуках, вони входять в структуру льоду і води. {{sfn|Глинка Н.Л. |2003| c=155-157}}{{sfn|Коровин и др. |1990| c=66—69}} Приклади водневих кристалів: H<sub>2</sub>O (лід), HF.
За електричними властивостями тверді тіла розділяють на метали і неметали. [[Електрика|Електричні]], [[Магнетизм|магнітні]] і деякі інші властивості твердих тіл визначаються переважно характером руху [[Валентний електрон|валентних електронів]] його атомів. У зв'язку з цим тверді тіла поділяються за електричними властивостями на [[діелектрики]], [[Напівпровідник|напівпровідники]], [[метали]], [[сегнетоелектрики]];


За типом [[Зонна теорія|зонної структури]]тверді кристалічні тіла класифікують на провідники, [[напівпровідник]]и і [[діелектрик]]и.
За магнітними властивостями виділяють [[діамагнетики]] і [[парамагнетики]] та магнітовпорядковані тверді тіла (феро-, антиферо- і феромагнетики). Електричні, магнітні і деякі інші властивості твердих тіл визначаються переважно характером руху валентних електронів атомів.

• Провідники ─ зона провідності і валентна зона перекриваються, таким чином електрон може вільно переміщатися між ними, отримавши будь-яку допустимо малу енергію. Таким чином, при додатку до твердого тіла різниці потенціалів, електрони зможуть вільно рухатися з точки з меншим потенціалом в точку з більшим, утворюючи електричний струм. До провідників відносять усі метали.

• Напівпровідники ─ зони не перекриваються і відстань між ними складає менше 4 еВ. Для того, щоб перевести електрон з валентної зони в зону провідності потрібно мати енергію меншу, ніж для діелектрика, тому чисті (власні, нелеговані) напівпровідники слабо пропускають струм.

• Діелектрики ─ зони не перекриваються і відстань між ними складає більше 4 еВ. Таким чином, для того, щоб перевести електрон з валентної зони в зону провідності потрібно мати значну енергію, тому діелектрики струм практично не проводять.

За магнітними властивостями тверді тіла діляться на [[діамагнетики]], [[парамагнетики]] і тіла з впорядкованою магнітною структурою. <ref name="rosnano"/> Діамагнітні властивості, які слабо залежать від агрегатного стану або температури, зазвичай перекриваються парамагнітними, які є наслідком орієнтації магнітних моментів атомів і електронів провідності. За законом Кюрі парамагнітна сприйнятливість убуває обернено пропорційно до температури і при температурі 300 К зазвичай складає 10<sup>− 5</sup>кг. Парамагнетики переходять в [[феромагнетики]], [[ антиферомагнетики]] або [[феримагнетики]] при пониженні температури<ref name="БСЭ"/>.


== Історична довідка ==
== Історична довідка ==
Рядок 39: Рядок 48:
* [[закон Відемана — Франца]] (1853) та ін.
* [[закон Відемана — Франца]] (1853) та ін.


Уже у першій половині XIX ст. було сформульовано основні положення [[теорія пружності|теорії пружності]], для якої характерним є уява про тверде тіло як про [[суцільне середовище]].
Уже в першій половині XIX ст. були сформульовані основні положення [[теорія пружності|теорії пружності]], для якої характерним є уява про тверде тіло як про [[суцільне середовище]].


Цілісне уявлення про кристалічну структуру твердих тіл, як сукупності атомів, впорядковане розміщення яких у просторі забезпечується силами взаємодії було сформоване [[Огюст Браве|Огюстом Браве]] у 1848 році, хоча перші ідеї такого роду висловлювались у трактатах [[Ніколас Стено|Ніколасом Стено]] (1669), [[Рене-Жюст Аюї|Рене-Жустом Аюї]] (1784), [[Ісаак Ньютон|Ісааком Ньютоном]] у роботі «[[Математичні начала натуральної філософії]]» (1686), у якій розрахована [[швидкість звуку]] у ланцюжку пружно пов'язаних часток, [[Даніель Бернуллі|Даніелем Бернуллі]] (1727), [[Оґюстен-Луї Коші|Оґюстеном-Луї Коші]] (1830) та іншими.
Цілісне уявлення про кристалічну структуру твердих тіл, як сукупності атомів, впорядковане розміщення яких у просторі забезпечується силами взаємодії, було сформоване [[Огюст Браве|Огюстом Браве]] у 1848 році, хоча перші ідеї такого роду висловлювались у трактатах [[Ніколас Стено|Ніколасом Стено]] (1669), [[Рене-Жюст Аюї|Рене-Жюстом Аюї]] (1784), [[Ісаак Ньютон|Ісааком Ньютоном]] у роботі «[[Математичні начала натуральної філософії]]» (1686), в якій розрахована [[швидкість звуку]] у ланцюжку пружно пов'язаних часток, [[Даніель Бернуллі|Даніелем Бернуллі]] (1727), [[Оґюстен-Луї Коші|Оґюстеном-Луї Коші]] (1830) та іншими.


У 1912 році [[Макс фон Лауе|М. Лауе]] спостерігав [[дифракція|дифракцію]] [[Рентгенівське проміння|рентгенівських променів]] на кристалах, чим остаточно затвердив уявлення про кристалічну будову твердих тіл, як впорядковану дискретну структуру. У 1913 році [[Вільям Генрі Брегг| В. Брегг]] встановив співвідношення, що пов'язує період кристалічної ґратки, довжину хвилі рентгенівського випромінювання з напрямами дифракційних максимумів (див. [[Бреггівська дифракція|закон Брегга]]). На основі цього були розроблені методи експериментального визначення розташування атомів в кристалах й вимірювання міжатомних відстаней, що поклало початок [[Рентгеноструктурний аналіз|рентгеноструктурному аналізу]] та іншим дифракційним методам дослідження структури твердих тіл. У 1927 році [[Клінтон Джозеф Девіссон|К. Дж. Девіссон]] спостерігав дифракцію електронів на кристалі. Згодом була виявлена дифракція нейтронів та інших часток.
У 1912 році [[Макс фон Лауе|М. Лауе]] спостерігав [[дифракція|дифракцію]] [[Рентгенівське проміння|рентгенівських променів]] на кристалах, чим остаточно затвердив уявлення про кристалічну будову твердих тіл, як впорядковану дискретну структуру. У 1913 році [[Вільям Генрі Брегг| В. Брегг]] встановив співвідношення, що пов'язує період кристалічної ґратки, довжину хвилі рентгенівського випромінювання з напрямами дифракційних максимумів (див. [[Бреггівська дифракція|закон Брегга]]). На основі цього були розроблені методи експериментального визначення розташування атомів в кристалах й вимірювання міжатомних відстаней, що поклало початок [[Рентгеноструктурний аналіз|рентгеноструктурному аналізу]] та іншим дифракційним методам дослідження структури твердих тіл. У 1927 році [[Клінтон Джозеф Девіссон|К. Дж. Девіссон]] спостерігав дифракцію електронів на кристалі. Згодом була виявлена дифракція нейтронів та інших часток.


== [[Фазові переходи]] ==
В подальшому фізика твердого тіла поділилась на низку областей, вирізняння яких відбувається шляхом виділення або об'єктів дослідження (фізика металів, фізика напівпровідників, фізика магнетиків тощо), або методів дослідження властивостей твердих тіл ([[механічні випробування|механічних]], теплових, [[Рентгеноструктурний аналіз|рентгеноструктурних]], [[магнітні методи|магнітних]] тощо).


[[Файл: Phase-diag ru.svg | thumb | 300px | [[фазова діаграма]] води.< br /> плавленню (і кристалізації) відповідає гілка лівіше і вище [[потрійна точка | потрійної точки]], сублімації — гілка лівіше і нижче потрійної точки. Зелена пунктирна лінія показує [[потрійна точка води | аномальну поведінку води]].]]
== Фазові перетворення ==
При підвищенні температури твердого тіла підведена до нього теплота витрачається переважно на збільшення внутрішньої енергії кристала. Сильне нагрівання тіла може привести до переходу речовини у [[Рідина|рідкий]] або [[Газ|газоподібний стан]]. Перехід твердого тіла в рідину називається [[плавлення]]м, а перехід у газоподібний стан, минаючи рідкий,— [[Сублімація (фізика)|сублімацією]]. Це відбувається при такій температурі, коли зміщення частинок з положень рівноваги є сумірними з рівноважними відстанями у решітці. Зворотний перехід до твердого тіла (тверднення) при зниженні температури для випадку кристалічного стану носить назву ''[[кристалізація]]'', для випадку отримання аморфної фази&nbsp;— ''[[склування]]''. Кристалізація пов'язана з виділенням певної кількості теплоти, яка дорівнює теплоті плавлення, і для хімічно чистих речовин відбувається за сталої температури, що збігається з температурою плавлення.


При підвищенні температури тверді тіла переходять в рідкий або газовий стан. Перехід твердого тіла в рідкий стан називається [[плавлення]]м, а перехід в газовий стан, минаючи рідкий, - сублімацією. Це відбувається при такій температурі, коли зміщення частинок з положень рівноваги є сумірними з рівноважними відстанями у кристалічній решітці. Зворотний перехід до твердого тіла (тверднення) при зниженні температури для випадку кристалічного стану носить назву [[кристалізація]], до аморфної фази — склування.
Існують також [[Фазовий перехід|фазові переходи]] між твердотільними [[Термодинамічна фаза|фазами]], при яких змінюється внутрішня структура твердих тіл, стаючи упорядкованішою при пониженні температури.
Існують також фазові переходи між твердотільними фазами, при яких змінюється внутрішня структура твердих тіл, стаючи впорядкованою при зниженні температури.
{{Main|Фазовий перехід}}
При [[атмосферний тиск | атмосферному тиску]] і температурі Т → 0 К всі речовини в природі тверднуть. Виняток становить [[гелій]], для кристалізації якого потрібний тиск 24 атм <ref name="БСЭ"/>.
Різниця між кристалічним і аморфним станами речовини особливо різко проявляється в їх відношенні до нагрівання. При постійному тиску і рівномірному нагріванні температура тіла зростає пропорційно кількості підведенної теплоти. При досягненні температури плавлення (кристалізації) температура тіла, перестає змінюватися, не дивлячись на те, що підведення теплоти до тіла триває. Одночасно починається процес плавлення. Після того, як вся речовина перетвориться в рідину, його температура знову почне зростати.
Плавлення аморфних тіл протікає інакше. При рівномірному нагріванні температура тіла безперервно зростає. Перехід в рідкий стан у аморфних тіл відбувається в інтервалі температур. {{sfn| Савельев И.В. |1970| с=494—495}}
В аморфних тілах атоми коливаються навколо хаотично розташованих точок<ref name="rosnano"/>, у них відсутній дальній порядок, але є ближній порядок, при якому молекули розташовані узгоджено на відстані, порівнянному з їх розмірами, зберігається. Окремим випадком аморфного стану є склоподібний стан.<ref name="БСЭ"/> Згідно з класичними уявленнями, стійким станом (з мінімумом [[потенційна енергія|потенційної енергії]]) твердого тіла є кристалічний. Аморфне тіло знаходиться в [[метастабільний стан | метастабільному стані]] і з плином часу має перейти в кристалічний стан, проте час кристалізації часто настільки великий, що метастабільність зовсім не проявляється. Зворотний мимовільний процес неможливий. Аморфне тіло можна розглядати як рідину з дуже великою (часто нескінченно великою) [[в'язкість|в'язкістю]].<ref name="БСЭ"/> Цей висновок підтверджує той факт, що багато аморфних тіл текучі. Наприклад, шматок смоли, покладений на плоску поверхню, в теплому приміщенні, за кілька тижнів розтікається, приймаючи форму диска.
{{sfn|Глинка Н.Л. |2003| c=163}}


== Фізичні властивості ==
== Фізичні властивості ==

Під [[фізичні властивості|фізичними властивостями]] твердих тіл розуміється їх специфічна поведінка при впливі певних [[сила|сил]] і [[Поле (фізика)|полів]]. Існує три основних способи впливу на тверді тіла, відповідні трьом основним видам [[енергія|енергії]]: [[механіка|механічний]], [[термодинаміка|термічний (тепловий)]] і [[електромагнетизм|електромагнітний]]. Відповідно виділяють три основних групи фізичних властивостей.
Під [[фізичні властивості|фізичними властивостями]] твердих тіл розуміється їх специфічна поведінка при впливі певних [[сила|сил]] і [[Поле (фізика)|полів]]. Існує три основних способи впливу на тверді тіла, відповідні трьом основним видам передачі [[енергія|енергії]]: [[робота|роботи]] ─ передача впорядкованої) форми руху матерії (механічний рух), [[термодинаміка|теплообмін]]─ передача невпорядкованої (хаотичної) форми руху матерії і передача енергії за допомогою [[електромагнетизм| електромагнітних]] хвиль.
Відповідно виділяють три основних групи фізичних властивостей:

1. Механичні

2. Теплові

3. Електромагнитні


[[Механічні властивості матеріалу|Механічні властивості]] зв'язують [[Напруження|механічні напруження]] і [[деформація|деформації]] тіла, які можна поділити на [[пружність|пружні]], [[міцність|міцнісні]], [[реологія|реологічні]] й [[технологічні властивості матеріалів|технологічні]]. Крім того, при впливі на тверді тіла рідин або газів виявляються їх [[гідравліка|гідравлічні]] і [[газодинаміка|газодинамічні]] властивості.
[[Механічні властивості матеріалу|Механічні властивості]] зв'язують [[Напруження|механічні напруження]] і [[деформація|деформації]] тіла, які можна поділити на [[пружність|пружні]], [[міцність|міцнісні]], [[реологія|реологічні]] й [[технологічні властивості матеріалів|технологічні]]. Крім того, при впливі на тверді тіла рідин або газів виявляються їх [[гідравліка|гідравлічні]] і [[газодинаміка|газодинамічні]] властивості.
Рядок 63: Рядок 84:


=== Механічні властивості ===
=== Механічні властивості ===

{{Main|Механічні властивості матеріалу}}
{{Main|Механічні властивості матеріалу}}
Загалом зберігаючи форму, за відсутності чи незначного силового впливу, тверді тіла здатні [[деформація|деформуватися]] під впливом [[Зовнішня сила|зовнішніх сил]]. [[Деформація|Деформацією]] твердого тіла називають зміну його розмірів і об'єму, що переважно супроводжується зміною форми тіла. В деяких випадках (всебічні стиснення або розтягування) форма тіла зберігається.
Загалом зберігаючи форму, за відсутності чи незначного силового впливу, тверді тіла здатні [[деформація|деформуватися]] під впливом [[Зовнішня сила|зовнішніх сил]]. [[Деформація|Деформацією]] твердого тіла називають зміну його розмірів і об'єму, що переважно супроводжується зміною форми тіла. В деяких випадках (всебічні стиснення або розтягування) форма тіла зберігається.
Рядок 73: Рядок 95:


До механічних властивостей твердого тіла належить також його здатність проводити [[звук]], який є [[хвиля|хвилею]], що переносить локальну деформацію з одного місця в інше. На відміну від рідин та газів у твердому тілі можуть розповсюджуватися не лише [[поздовжня хвиля|поздовжні звукові хвилі]], а й [[Поперечна хвиля|поперечні]], що зв'язано з опором твердого тіла деформації зсуву. [[Швидкість звуку]] в твердих тілах загалом вища, ніж у газах, зокрема в повітрі, оскільки міжатомна взаємодія набагато сильніша. Швидкість звуку в кристалічних твердих тілах характеризується [[анізотропія|анізотропією]], тобто залежністю від напрямку поширення.
До механічних властивостей твердого тіла належить також його здатність проводити [[звук]], який є [[хвиля|хвилею]], що переносить локальну деформацію з одного місця в інше. На відміну від рідин та газів у твердому тілі можуть розповсюджуватися не лише [[поздовжня хвиля|поздовжні звукові хвилі]], а й [[Поперечна хвиля|поперечні]], що зв'язано з опором твердого тіла деформації зсуву. [[Швидкість звуку]] в твердих тілах загалом вища, ніж у газах, зокрема в повітрі, оскільки міжатомна взаємодія набагато сильніша. Швидкість звуку в кристалічних твердих тілах характеризується [[анізотропія|анізотропією]], тобто залежністю від напрямку поширення.



=== Теплові властивості ===
=== Теплові властивості ===


==== Характеристики фазових переходів ====
==== Здатність до фазових переходів ====

Найважливішою тепловою властивістю твердого тіла є [[температура плавлення]]&nbsp;— температура, при якій відбувається перехід у рідкий стан. Іншою важливою характеристикою плавлення є [[теплота плавлення|прихована теплота плавлення]]. На відміну від кристалів, у аморфних твердих тіл перехід до рідкого стану із підвищенням температури відбувається поступово. Його характеризують [[температура склування|температурою склування]]&nbsp;— температурою, вище якої матеріал майже повністю втрачає пружність і стає пластичним.
Найважливійшою тепловою властивістю твердих тіл є їх здатність при підвіщенні температури до фазових переходів, таких як плавлення (перехід у рідкий стан) і, для деяких речовин (лід, йод, тверда вуглекислота, тощо), —[[сублімація]] (безпосередній перехід у газовий стан). Фізична величина, що характерізує плавлення кристалічних тіл є [[температура плавлення]]. Іншою важливою характеристикою плавлення є [[теплота плавлення]] або прихована теплота плавлення. Оборотний процес плавленню має назву [[кристалізація]], а сублімації ─ [[десублімація]] Температура і теплота кристалізаціі дорівнюють, відповідно, температурі і теплоті плавлення. На відміну від кристалів, у аморфних твердих тіл перехід до рідкого стану з підвищенням температури відбувається поступово. Його характеризують [[температура склування|температурою склування]], тобто температурою, вище якої матеріал майже повністю втрачає пружність і стає пластичним.


==== Властивість теплового розширення ====


==== Теплове розширення ====
Зміна температури викликає деформацію твердого тіла, здебільшого підвищення температури призводить до розширення. Кількісно вона характеризується [[коефіцієнт теплового розширення|коефіцієнтом теплового розширення]]. Розглядають лінійне або об'ємне теплове розширення.
Зміна температури викликає деформацію твердого тіла, здебільшого підвищення температури призводить до розширення. Кількісно вона характеризується [[коефіцієнт теплового розширення|коефіцієнтом теплового розширення]]. Розглядають лінійне або об'ємне теплове розширення.


Рядок 96: Рядок 122:
Для ізотропних матеріалів, ''коефіцієнт лінійного теплового розширення'' становить приблизно одну третину від об'ємного коефіцієнта теплового розширення.
Для ізотропних матеріалів, ''коефіцієнт лінійного теплового розширення'' становить приблизно одну третину від об'ємного коефіцієнта теплового розширення.
: <math>\alpha_V \approx 3\alpha_L</math>
: <math>\alpha_V \approx 3\alpha_L</math>
Матеріали з анізотропною структурою, такі як кристали чи [[Композитор Глінка|композити]], зазвичай, мають різні коефіцієнти лінійного розширення <math>\alpha_L </math> у різних напрямках. У результаті, загальне значення об'ємного розширення розподіляється нерівномірно серед трьох осей. У таких випадках для розрахунків теплового розширення слід вводити тензор коефіцієнта теплового розширення, що може містити до шести незалежних компонентів.
Матеріали з анізотропною структурою, такі як кристали чи композити, зазвичай, мають різні коефіцієнти лінійного розширення <math>\alpha_L </math> у різних напрямках. У результаті, загальне значення об'ємного розширення розподіляється нерівномірно серед трьох осей. У таких випадках для розрахунків теплового розширення слід вводити тензор коефіцієнта теплового розширення, що може містити до шести незалежних компонентів.
{{Main|Теплове розширення}}
{{Main|Теплове розширення}}


==== Теплоємність ====
==== Теплопровідність ====
Для характеристики теплоємності твердих тіл використовуються питома (масова), об'ємна й молярна [[теплоємність|теплоємності]]. У неметалічних твердих тілах найбільший внесок у теплоємність дає енергія теплових коливань часток, які перебувають у вузлах [[Кристалічна ґратка|кристалічних ґраток]]. Для металів, крім цього, слід враховувати теплоємність виродженого [[Модель вільних електронів|електронного газу]].

[[Теплоємність твердого тіла]] залежить від температури, особливо за низьких температур, однак в області кімнатних температур і вище, багато твердих тіл мають приблизно сталу теплоємність ([[Закон Дюлонга — Пті|закон Дюлонга-Пті]]). Перехід до сталої залежності теплоємності від температури відбувається при характерній для кожного матеріалу [[температура Дебая|температурі Дебая]].
{{Main|Теплоємність твердого тіла}}

==== Теплопровідність і температуропровідність ====
Явище теплопровідності полягає в тому, що [[кінетична енергія]] [[атом]]ів й [[молекула|молекул]], яка визначає [[температура|температуру]] тіла, передається атомам і молекулам у тих областях тіла, де температура нижча.
Явище теплопровідності полягає в тому, що [[кінетична енергія]] [[атом]]ів й [[молекула|молекул]], яка визначає [[температура|температуру]] тіла, передається атомам і молекулам у тих областях тіла, де температура нижча.


Рядок 116: Рядок 136:
{{Main|Теплопровідність}}
{{Main|Теплопровідність}}


=== Електричні, магнітні та оптичні властивості ===
[[Температуропровідність]] (коефіцієнт температуропровідності)&nbsp;— [[фізична величина]], що характеризує швидкість зміни (вирівнювання) [[температура|температури]] речовини у нерівноважних теплових процесах. Чисельно дорівнює частці від ділення [[теплопровідність|коефіцієнта теплопровідності]] тіла на добуток його [[питома теплоємність|питомої теплоємності]] та [[густина|густини]]<ref>ДСТУ 2821-94 Промислове електронагрівання. Терміни та визначення.</ref>, в [[Міжнародна система одиниць (SI)|системі SI]] вимірюється в м²/с.
: <math>\chi = \frac{\kappa}{c_p \rho}\,</math>,
де <math>\chi</math>&nbsp;— температуропровідність, <math>\kappa</math>&nbsp;— [[теплопровідність|коефіцієнт теплопровідності]], <math>c_p</math>&nbsp;— [[ізобаричний процес|ізобарна]] [[питома теплоємність]], ''ρ''&nbsp;— [[густина]].
{{Main|Температуропровідність}}


Однією з головних електричних властивостей твердих тіл є електропровідність. (Оборотна властивість є електричний опір).
Температуропровідність і теплопровідність є двома з найважливіших термодинамічних параметрів речовин та матеріалів, оскільки вони описують процес переносу теплоти та зміну температури в них.

Від температури залежать також інші характеристики твердотільних матеріалів, зокрема механічні: [[пластичність]], [[плинність]], [[міцність]], [[твердість]].

=== Електричні та магнітні властивості ===
В залежності від величини [[питомий опір|питомого опору]] тверді тіла поділяються на [[провідник]]и та [[діелектрики]], проміжне положення між якими займають [[напівпровідник]]и. Напівпровідники мають малу [[електропровідність]], однак для них характерне її зростання з температурою. Електричні властивості твердих тіл пов'язані з їхньою [[електронна структура|електронною структурою]]. Для діелектриків властива щілина в [[енергетичний спектр|енергетичному спектрі]] [[електрон]]ів, яку у випадку кристалічних твердих тіл називають [[заборонена зона|забороненою зоною]]. Це область значень енергії, яку електрони в твердому тілі не можуть мати. В діелектриків усі електронні стани, нижче від щілини заповнені, і завдяки [[принцип Паулі|принципу Паулі]] електрони не можуть переходити із одного стану в інший, чим зумовлена відсутність провідності. Провідність напівпровідників дуже сильно залежить від [[Легуюча домішка|домішок]]&nbsp;— [[акцептор електрона|акцепторів]] та [[донор електрона|донорів]].
В залежності від величини [[питомий опір|питомого опору]] тверді тіла поділяються на [[провідник]]и та [[діелектрики]], проміжне положення між якими займають [[напівпровідник]]и. Напівпровідники мають малу [[електропровідність]], однак для них характерне її зростання з температурою. Електричні властивості твердих тіл пов'язані з їхньою [[електронна структура|електронною структурою]]. Для діелектриків властива щілина в [[енергетичний спектр|енергетичному спектрі]] [[електрон]]ів, яку у випадку кристалічних твердих тіл називають [[заборонена зона|забороненою зоною]]. Це область значень енергії, яку електрони в твердому тілі не можуть мати. В діелектриків усі електронні стани, нижче від щілини заповнені, і завдяки [[принцип Паулі|принципу Паулі]] електрони не можуть переходити із одного стану в інший, чим зумовлена відсутність провідності. Провідність напівпровідників дуже сильно залежить від [[Легуюча домішка|домішок]]&nbsp;— [[акцептор електрона|акцепторів]] та [[донор електрона|донорів]].


Рядок 134: Рядок 147:
Існує клас твердих тіл, які можуть мати спонтанну [[Вектор поляризації|поляризацію]]&nbsp;— [[піроелектрики]]. Якщо ця властивість характерна тільки для однієї з фаз, що існує в певному проміжку температур, то такі матеріали називаються [[сегнетоелектрики|сегнетоелектриками]]. Для [[п'єзоелектрики|п'єзоелектриків]] характерний сильний зв'язок між поляризацією і механічною деформацією.
Існує клас твердих тіл, які можуть мати спонтанну [[Вектор поляризації|поляризацію]]&nbsp;— [[піроелектрики]]. Якщо ця властивість характерна тільки для однієї з фаз, що існує в певному проміжку температур, то такі матеріали називаються [[сегнетоелектрики|сегнетоелектриками]]. Для [[п'єзоелектрики|п'єзоелектриків]] характерний сильний зв'язок між поляризацією і механічною деформацією.


За магнітними властивостями тверді тіла діляться на два класи: слабомагнітні і сильномагнітні. До слабомагнітним відносяться діамагнетики і парамагнетики, до сильномагнітним — феромагнетики.
[[Феромагнетики|Феромагнетикам]] властиве існування спонтанного [[магнітний момент|магнітного моменту]].
[[Феромагнетики|Феромагнетикам]] властиве існування внутрішнього магнітного поля, яке в багато разів перевищує зовнішнє поле, що стало "поштовхом" для його наведення. {{sfn| Селезнёв Ю.А. |1969| с=352 — 353}}


[[Оптика|Оптичні]] властивості твердих тіл дуже різноманітні. Метали здебільшого мають високий [[Коефіцієнт відбиття (оптика)|коефіцієнт відбиття]] світла у видимій області спектру, багато діелектриків прозорі, як, наприклад, [[скло]]. Часто [[колір]] того чи іншого твердого тіла зумовлений поглинанням світла домішками. Для напівпровідників та діелектриків характерна [[фотопровідність]]&nbsp;— збільшення електропровідності при освітленні.
[[Оптика|Оптичні]] властивості твердих тіл дуже різноманітні. Метали здебільшого мають високий [[Коефіцієнт відбиття (оптика)|коефіцієнт відбиття]] світла у видимій області спектру, багато діелектриків прозорі, як, наприклад, [[скло]]. Часто [[колір]] того чи іншого твердого тіла зумовлений поглинанням світла домішками. Для напівпровідників та діелектриків характерна [[фотопровідність]]&nbsp;— збільшення електропровідності при освітленні.
Рядок 176: Рядок 190:


== Джерела ==
== Джерела ==
* {{книга | автор = Глинка Н.Л. | назва= Общая химия | том= | видання = 30 | видавництво =Интеграл- Пресс | місце =М. | рік =2003 | сторінок =728 | isbn = 5-89602-017-1| ref =Глинка Н.Л. }}
* {{книга
*{{книга | автор = Даниэльс Ф., Олберти Р. | назва = Физическая химия |том= | видання =|видавництво =Мир | місце =М. | рік = 1978 | сторінок = 648 | isbn = | ref = Даниэльс Ф., Олберти Р.}}
|автор = Яворський Б. М., Детлаф А. А., Лебедев А. К.
* {{книга | автор = Коровин и др. | назва = Курс общей химии |том= |видання =2 | видавництво =«Высшая школа» | місце =М. | рік =1990 | сторінок =446 | isbn =5-06-000-663-8 | ref = Коровин и др. }}
|заголовок = Довідник з фізики для інженерів та студентів вищих навчальних закладів / Переклад з 8-го переробл. і випр. вид.
* {{книга | автор = Савельев И.В. | назва = Курс физики | том= 1 | видання = | видавництво = «Наука» | місце =М. | рік =1970 | сторінок = 496 | isbn =5-02-014052-x:5-02-014430-4 | ref = Савельев И.В. }}
|рік = 2007
* {{книга | автор = Селезнёв Ю.А. | назва = Основы элементарной физики | том= | видання =3 |видавництво = «Наука» | місце =М. | рік =1969 | сторінок = 496| isbn = | ref = Селезнёв Ю.А.}}
|видавництво = Навчальна книга — Богдан
|місто = {{Comment|Т.|Тернопіль}}
|сторінок = 1040
|isbn = 966-692-818-3}}
* {{книга
|автор=Давыдов А. С.
|заголовок=Теория твердого тела
|рік=1976
|видавництво=Наука
|місто=М.
|сторінок = 528}}
* {{книга
|автор = Болеста І. М.
|заголовок = Фізика твердого тіла [Текст] : навч. посіб. для студ. фіз. спец. вищ. навч. закл.
|рік = 2003
|видавництво = Видавничий центр ЛНУ ім. Івана Франка
|місто = {{Comment|Л.|Львів}}
|сторінок = 479
|isbn = 966-6132-01-X}}
* {{книга
|автор = Пінкевич П. І., Сугаков В. Й.
|заголовок = Теорія твердого тіла: навч. посіб. для студ. фіз. спец. ун-тів
|рік = 2006
|видавництво = ВПЦ «Київський університет»
|місто = {{Comment|К.|Київ}}
|сторінок = 333
|isbn = 966-594-719-2}}
* {{книга
|автор = Бібик В. В., Гричановська Т. М., Однодворець Л. В., Шумакова Н. І.
|заголовок = Фізика твердого тіла : навч. посіб
|рік = 2009
|видавництво = Сум. держ. ун-т
|місто = Суми
|сторінок = 200
|isbn = }}
* {{книга
|автор = Шевченко С. И.
|заголовок = Физика твёрдого тела: учеб. пособие : в 2 ч.
|рік = 2012
|видавництво = НТУ «ХПИ»
|місто = {{Comment|Х.|Харків}}
|сторінок = 102
|isbn = 978-617-05-0000-7 (ч. 1)}}
* {{книга
|автор = Фістуль В. И.
|заголовок = Физика и химия твердого тела [Текст] : в 2 т.: Учебник для студ. вузов обуч. по спец. «Материаловедение и технология новых материалов»
|рік = 1995
|видавництво = Металлургия
|місто = М.
|сторінок = 480+320
|isbn = 5-229-00194-7; 5-229-01195-5}}
* {{книга
|автор = Колтунов М. А., Кравчук А. С., Майборода В. П.
|заголовок = Прикладная механика деформируемого твердого тела: Учеб. пособие для студентов вузов.
|рік = 1983
|видавництво = Высшая школа
|місто = М.
|сторінок = 349
|isbn = }}

== Посилання ==
* {{УСЕ-4|[http://slovopedia.org.ua/29/53410/21767.html Тверде тіло]}}
* [http://www.solidswiki.com Wiki on equipment for handling and processing Bulk Solids] {{ref-en}}


[[Категорія:Фізика твердого тіла]]
[[Категорія:Тверде тіло ]]
[[Категорія:Базові поняття фізики]]
[[Категорія:Тверде тіло| ]]
[[Категорія:Агрегатні стани]]
[[Категорія:Агрегатні стани]]

Поточна версія на 04:11, 19 жовтня 2021

Тверде́ ті́ло (англ. solid) — один з чотирьох основних агрегатних станів речовини, що відрізняється від інших агрегатних станів (рідини,газів, плазми) стабільністю форми і характером теплового руху атомів, що здійснюють малі коливання біля положень рівноваги. [1].

Модель будови кристалічного твердого тіла

Загальний описРедагувати

  
Розташування атомів у аморфному склі і кристалічному кварці

За типом упорядкування атомів розрізняють кристалічний і аморфний стани речовини. Кристали характеризуються просторової періодичністю в розташуванні рівноважних положень атомів. [1] У кристалах середні положення атомів чи молекул строго впорядковані. Кристалічні тіла зберігають не тільки ближній, а й дальній порядок. Природна форма кристалів ─ правильні багатогранники. [2] Більшисть речовин у твердому стані має кристалічну структуру. В цьому легко переконатися якщо розколоти шматок речовини і розглянути злам. На зламі кристалічних речовин (наприклад, у цукру, солі, сірки, металів) добре помітні розташовані під різними кутами дрібні грані кристалів, що поблискують внаслідок різного відбиття ними світла. При розколюванні аморфних твердих речовин, наприклад, звичайного скла,пластмаси, шматків смоли, парафіну, і так далі, злам виявляється гладким і, на відміну від зламів кристалів, обмежений не плоскими, а овальними поверхнями. [3]


Класифікація кристалічних тілРедагувати

За типом часток, що знаходяться у вузлах кристалічної ґрати, і за типом їх взаємодії, що переважають в цьому кристалі, розрізняють ґрати:

• Молекулярні • Атомні • Іонні • Металеві • Водневі

У молекулярних кристалах молекули пов'язані між собою молекулярними силами. В атомних кристалах атоми речовини пов'язані один з одним ковалентним зв'язком. У вузлах іонних ґрат по черзі розташовуються позитивно і негативно заряджені іони. Вони пов'язані один з одним силами електростатичного тяжіння. У вузлах металевих ґрат розташовуються атоми металу, в проміжках між якими рухаються загальні для цих атомів електрони. Нарешті, кристали з водневим зв'язком характеризуються поділом ядер між електронегативними атомами. [4] Водневі зв'язки зустрічаються в багатьох органічних і неорганічних сполуках, вони входять в структуру льоду і води. [5][6] Приклади водневих кристалів: H2O (лід), HF.

За типом зонної структуритверді кристалічні тіла класифікують на провідники, напівпровідники і діелектрики.

• Провідники ─ зона провідності і валентна зона перекриваються, таким чином електрон може вільно переміщатися між ними, отримавши будь-яку допустимо малу енергію. Таким чином, при додатку до твердого тіла різниці потенціалів, електрони зможуть вільно рухатися з точки з меншим потенціалом в точку з більшим, утворюючи електричний струм. До провідників відносять усі метали.

• Напівпровідники ─ зони не перекриваються і відстань між ними складає менше 4 еВ. Для того, щоб перевести електрон з валентної зони в зону провідності потрібно мати енергію меншу, ніж для діелектрика, тому чисті (власні, нелеговані) напівпровідники слабо пропускають струм.

• Діелектрики ─ зони не перекриваються і відстань між ними складає більше 4 еВ. Таким чином, для того, щоб перевести електрон з валентної зони в зону провідності потрібно мати значну енергію, тому діелектрики струм практично не проводять.

За магнітними властивостями тверді тіла діляться на діамагнетики, парамагнетики і тіла з впорядкованою магнітною структурою. [1] Діамагнітні властивості, які слабо залежать від агрегатного стану або температури, зазвичай перекриваються парамагнітними, які є наслідком орієнтації магнітних моментів атомів і електронів провідності. За законом Кюрі парамагнітна сприйнятливість убуває обернено пропорційно до температури і при температурі 300 К зазвичай складає 10− 5кг. Парамагнетики переходять в феромагнетики, антиферомагнетики або феримагнетики при пониженні температури[2].

Історична довідкаРедагувати

Незважаючи на те, що тверді тіла (метали, мінерали) досліджувались давно, всебічне вивчення та систематизація інформації про їх властивості розпочалось з 17 століття. Починаючи з цього часу було відкрито низку емпіричних законів, що описували вплив на тверде тіло механічних сил, зміни температури, світла, електромагнітних полів і т. д. Були сформульовані:

Уже в першій половині XIX ст. були сформульовані основні положення теорії пружності, для якої характерним є уява про тверде тіло як про суцільне середовище.

Цілісне уявлення про кристалічну структуру твердих тіл, як сукупності атомів, впорядковане розміщення яких у просторі забезпечується силами взаємодії, було сформоване Огюстом Браве у 1848 році, хоча перші ідеї такого роду висловлювались у трактатах Ніколасом Стено (1669), Рене-Жюстом Аюї (1784), Ісааком Ньютоном у роботі «Математичні начала натуральної філософії» (1686), в якій розрахована швидкість звуку у ланцюжку пружно пов'язаних часток, Даніелем Бернуллі (1727), Оґюстеном-Луї Коші (1830) та іншими.

У 1912 році М. Лауе спостерігав дифракцію рентгенівських променів на кристалах, чим остаточно затвердив уявлення про кристалічну будову твердих тіл, як впорядковану дискретну структуру. У 1913 році В. Брегг встановив співвідношення, що пов'язує період кристалічної ґратки, довжину хвилі рентгенівського випромінювання з напрямами дифракційних максимумів (див. закон Брегга). На основі цього були розроблені методи експериментального визначення розташування атомів в кристалах й вимірювання міжатомних відстаней, що поклало початок рентгеноструктурному аналізу та іншим дифракційним методам дослідження структури твердих тіл. У 1927 році К. Дж. Девіссон спостерігав дифракцію електронів на кристалі. Згодом була виявлена дифракція нейтронів та інших часток.

Фазові переходиРедагувати

 
фазова діаграма води.< br /> плавленню (і кристалізації) відповідає гілка лівіше і вище потрійної точки, сублімації — гілка лівіше і нижче потрійної точки. Зелена пунктирна лінія показує аномальну поведінку води.

При підвищенні температури тверді тіла переходять в рідкий або газовий стан. Перехід твердого тіла в рідкий стан називається плавленням, а перехід в газовий стан, минаючи рідкий, - сублімацією. Це відбувається при такій температурі, коли зміщення частинок з положень рівноваги є сумірними з рівноважними відстанями у кристалічній решітці. Зворотний перехід до твердого тіла (тверднення) при зниженні температури для випадку кристалічного стану носить назву кристалізація, до аморфної фази — склування. Існують також фазові переходи між твердотільними фазами, при яких змінюється внутрішня структура твердих тіл, стаючи впорядкованою при зниженні температури. При атмосферному тиску і температурі Т → 0 К всі речовини в природі тверднуть. Виняток становить гелій, для кристалізації якого потрібний тиск 24 атм [2]. Різниця між кристалічним і аморфним станами речовини особливо різко проявляється в їх відношенні до нагрівання. При постійному тиску і рівномірному нагріванні температура тіла зростає пропорційно кількості підведенної теплоти. При досягненні температури плавлення (кристалізації) температура тіла, перестає змінюватися, не дивлячись на те, що підведення теплоти до тіла триває. Одночасно починається процес плавлення. Після того, як вся речовина перетвориться в рідину, його температура знову почне зростати. Плавлення аморфних тіл протікає інакше. При рівномірному нагріванні температура тіла безперервно зростає. Перехід в рідкий стан у аморфних тіл відбувається в інтервалі температур. [7] В аморфних тілах атоми коливаються навколо хаотично розташованих точок[1], у них відсутній дальній порядок, але є ближній порядок, при якому молекули розташовані узгоджено на відстані, порівнянному з їх розмірами, зберігається. Окремим випадком аморфного стану є склоподібний стан.[2] Згідно з класичними уявленнями, стійким станом (з мінімумом потенційної енергії) твердого тіла є кристалічний. Аморфне тіло знаходиться в метастабільному стані і з плином часу має перейти в кристалічний стан, проте час кристалізації часто настільки великий, що метастабільність зовсім не проявляється. Зворотний мимовільний процес неможливий. Аморфне тіло можна розглядати як рідину з дуже великою (часто нескінченно великою) в'язкістю.[2] Цей висновок підтверджує той факт, що багато аморфних тіл текучі. Наприклад, шматок смоли, покладений на плоску поверхню, в теплому приміщенні, за кілька тижнів розтікається, приймаючи форму диска. [8]

Фізичні властивостіРедагувати

Під фізичними властивостями твердих тіл розуміється їх специфічна поведінка при впливі певних сил і полів. Існує три основних способи впливу на тверді тіла, відповідні трьом основним видам передачі енергії: роботи ─ передача впорядкованої) форми руху матерії (механічний рух), теплообмін─ передача невпорядкованої (хаотичної) форми руху матерії і передача енергії за допомогою електромагнітних хвиль. Відповідно виділяють три основних групи фізичних властивостей:

1. Механичні

2. Теплові

3. Електромагнитні

Механічні властивості зв'язують механічні напруження і деформації тіла, які можна поділити на пружні, міцнісні, реологічні й технологічні. Крім того, при впливі на тверді тіла рідин або газів виявляються їх гідравлічні і газодинамічні властивості.

До термічних (теплових) належать властивості, які виявляються під впливом теплових полів.

До електромагнітних властивостей умовно можна віднести радіаційні, що проявляються при впливі на тверде тіло потоків мікрочастинок або електромагнітних хвиль значної жорсткості (рентгенівських, гамма-променів тощо).

Механічні властивостіРедагувати

Загалом зберігаючи форму, за відсутності чи незначного силового впливу, тверді тіла здатні деформуватися під впливом зовнішніх сил. Деформацією твердого тіла називають зміну його розмірів і об'єму, що переважно супроводжується зміною форми тіла. В деяких випадках (всебічні стиснення або розтягування) форма тіла зберігається.

В залежності від величини прикладеної сили деформація може бути пружною, пластичною або руйнівною. При пружній деформації тіло повертає собі початкову форму і розміри після зняття прикладених сил. Відклик пружного твердого тіла на прикладене зусилля характеризується модулями пружності на основі закону Гука. Відмінною рисою твердого тіла в порівнянні з рідинами та газами є те, що воно чинить опір не тільки розтягу та стисканню, а також зсуву, згину й крученню.

При пластичній деформації початкова форма тіла не зберігається. Характер деформації залежить також від часу, впродовж якого діє зовнішня сила. Тверде тіло може деформуватися пружно при короткочасній дії, але пластично, якщо зовнішні сили діють тривалий час. Така поведінка називається повзучістю. Однією з деформаційних характеристик тіла є його твердість — здатність опиратися проникненню в нього інших тіл.

Кожне тверде тіло має властивий йому поріг деформації, після якої наступає руйнування. Властивість твердого тіла опиратися руйнуванню характеризується міцністю. При руйнуванні в твердому тілі з'являються і розповсюджуються тріщини, які врешті-решт призводять до розлому.

До механічних властивостей твердого тіла належить також його здатність проводити звук, який є хвилею, що переносить локальну деформацію з одного місця в інше. На відміну від рідин та газів у твердому тілі можуть розповсюджуватися не лише поздовжні звукові хвилі, а й поперечні, що зв'язано з опором твердого тіла деформації зсуву. Швидкість звуку в твердих тілах загалом вища, ніж у газах, зокрема в повітрі, оскільки міжатомна взаємодія набагато сильніша. Швидкість звуку в кристалічних твердих тілах характеризується анізотропією, тобто залежністю від напрямку поширення.


Теплові властивостіРедагувати

Здатність до фазових переходівРедагувати

Найважливійшою тепловою властивістю твердих тіл є їх здатність при підвіщенні температури до фазових переходів, таких як плавлення (перехід у рідкий стан) і, для деяких речовин (лід, йод, тверда вуглекислота, тощо), —сублімація (безпосередній перехід у газовий стан). Фізична величина, що характерізує плавлення кристалічних тіл є температура плавлення. Іншою важливою характеристикою плавлення є теплота плавлення або прихована теплота плавлення. Оборотний процес плавленню має назву кристалізація, а сублімації ─ десублімація Температура і теплота кристалізаціі дорівнюють, відповідно, температурі і теплоті плавлення. На відміну від кристалів, у аморфних твердих тіл перехід до рідкого стану з підвищенням температури відбувається поступово. Його характеризують температурою склування, тобто температурою, вище якої матеріал майже повністю втрачає пружність і стає пластичним.


Властивість теплового розширенняРедагувати

Зміна температури викликає деформацію твердого тіла, здебільшого підвищення температури призводить до розширення. Кількісно вона характеризується коефіцієнтом теплового розширення. Розглядають лінійне або об'ємне теплове розширення.

Коефіцієнт лінійного теплового розширення визначається як відношення зміни лінійних розмірів матеріалу до зміни температури. Отже, це відносна зміна довжини на градус зміни температури:

 

де   — лінійний розмір (наприклад, довжина) і   — зміна лінійного розміру на одиницю зміни температури.

Об'ємний коефіцієнт теплового розширення може бути записаний

 

де   — об'єм матеріалу, і   інтенсивність зміни об'єму із зміною температури.

Для ізотропних матеріалів, коефіцієнт лінійного теплового розширення становить приблизно одну третину від об'ємного коефіцієнта теплового розширення.

 

Матеріали з анізотропною структурою, такі як кристали чи композити, зазвичай, мають різні коефіцієнти лінійного розширення   у різних напрямках. У результаті, загальне значення об'ємного розширення розподіляється нерівномірно серед трьох осей. У таких випадках для розрахунків теплового розширення слід вводити тензор коефіцієнта теплового розширення, що може містити до шести незалежних компонентів.

ТеплопровідністьРедагувати

Явище теплопровідності полягає в тому, що кінетична енергія атомів й молекул, яка визначає температуру тіла, передається атомам і молекулам у тих областях тіла, де температура нижча.

При теплопровідності величина потоку тепла визначається різницею температури між різними областями тіла. Кількісно теплопровідність характеризується коефіцієнтом теплопровідності  , який входить в рівняння (закон Фур'є)

 .

Тут   — тепловий потік, T — температура,   — оператор Гамільтона набла, яким позначається градієнт.

Коефіцієнт теплопровідності вимірюється у Вт/(мK) або Вт•м−1•K−1.

Докладніше: Теплопровідність

Електричні, магнітні та оптичні властивостіРедагувати

Однією з головних електричних властивостей твердих тіл є електропровідність. (Оборотна властивість є електричний опір). В залежності від величини питомого опору тверді тіла поділяються на провідники та діелектрики, проміжне положення між якими займають напівпровідники. Напівпровідники мають малу електропровідність, однак для них характерне її зростання з температурою. Електричні властивості твердих тіл пов'язані з їхньою електронною структурою. Для діелектриків властива щілина в енергетичному спектрі електронів, яку у випадку кристалічних твердих тіл називають забороненою зоною. Це область значень енергії, яку електрони в твердому тілі не можуть мати. В діелектриків усі електронні стани, нижче від щілини заповнені, і завдяки принципу Паулі електрони не можуть переходити із одного стану в інший, чим зумовлена відсутність провідності. Провідність напівпровідників дуже сильно залежить від домішок — акцепторів та донорів.

Існує певний клас твердих тіл, для яких характерна іонна провідність. Ці матеріали називають суперіоніками. Здебільшого це іонні кристали, в яких іони одного сорту можуть доволі вільно рухатися між непорушною ґраткою іонів іншого сорту.

При низьких температурах для деяких твердих тіл властива надпровідність — здатність проводити електричний струм без опору.

Існує клас твердих тіл, які можуть мати спонтанну поляризацію — піроелектрики. Якщо ця властивість характерна тільки для однієї з фаз, що існує в певному проміжку температур, то такі матеріали називаються сегнетоелектриками. Для п'єзоелектриків характерний сильний зв'язок між поляризацією і механічною деформацією.

За магнітними властивостями тверді тіла діляться на два класи: слабомагнітні і сильномагнітні. До слабомагнітним відносяться діамагнетики і парамагнетики, до сильномагнітним — феромагнетики. Феромагнетикам властиве існування внутрішнього магнітного поля, яке в багато разів перевищує зовнішнє поле, що стало "поштовхом" для його наведення. [9]

Оптичні властивості твердих тіл дуже різноманітні. Метали здебільшого мають високий коефіцієнт відбиття світла у видимій області спектру, багато діелектриків прозорі, як, наприклад, скло. Часто колір того чи іншого твердого тіла зумовлений поглинанням світла домішками. Для напівпровідників та діелектриків характерна фотопровідність — збільшення електропровідності при освітленні.

Ідеалізації твердого тіла у наукахРедагувати

Тверді тіла, що зустрічаються у природі, характеризуються нескінченною множиною різноманітних властивостей, яка постійно поповнюється.

У залежності від поставлених перед певною наукою завдань є важливими лише окремі властивості твердого тіла, інші — несуттєві. Наприклад, при дослідженні міцності сталі її магнітні властивості практично ролі не відіграють.

Для простоти вивчення реальне тіло заміняють ідеальним, виділяючи лише найважливіші властивості для випадку, що розглядається. Такий підхід, що практикується багатьма науками, називається абстрагуванням. Після виділення ідеалізованого тіла з певним переліком суттєвих властивостей, будується теорія. Достовірність такої теорії залежить від того наскільки вдало прийнята ідеалізація відображає суттєві характеристики об'єкту. Оцінку цьому можна дати при порівнянні результатів досліджень, отриманих теоретично на основі ідеалізованої моделі та експериментально.

У теоретичній механіціРедагувати

У теоретичній механіці ідеалізованою схемою реального твердого тіла є абсолютно тверде тіло, тобто таке, у якому при будь-яких обставинах відстані між довільними точками є сталими — не змінюються ні розміри, ні форма тіла.

У теорії пружностіРедагувати

У теорії пружності та її прикладному застосуванню опорі матеріалів також розглядаються моделі, котрі враховують і абсолютизують окремі властивості твердого тіла. До цих властивостей відносяться: деформівність, однорідність, суцільність, ізотропність. Прийняття умов однорідності і суцільності при малих деформаціях дозволяє застосувати методи аналізу нескінченно малих величин, що суттєво спрощує побудову теорії опору матеріалів.

Вважається також, що залежність між напруженнями і деформаціями описуються є лінійною (див. Закон Гука).

У теоріях пластичностіРедагувати

У теоріях пластичності моделі твердого тіла базуються на ідеалізації властивості деформаційного зміцнення або/та властивості плинності твердих тіл у напружено-деформованому стані.

У математиціРедагувати

У математиці (геометрії) об'єктом розгляду є уявне тверде тіло, в якому зберігаються лише форма і розміри при повному абстрагуванні від усіх інших властивостей. На відміну від реальних предметів геометричні тіла, як і всякі геометричні фігури, є уявними об'єктами.

Докладніше: Геометричне тіло

У хроматографіїРедагувати

Порувате тверде тіло з адсорбційними властивостями, які можуть бути використані для хроматографічного розділення.

Див. такожРедагувати

ПриміткиРедагувати

  1. а б в г Стрелецкий Алексей Владимирович, Наймушина Дарья Анатольевна. Твёрдое тело. Роснано. Архів оригіналу за 2012-05-31. Процитовано 2012-03-08. 
  2. а б в г д Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978. (рос.)
  3. Глинка Н.Л., 2003, с. 162—-163.
  4. Даниэльс Ф., Олберти Р., 1978, с. 586.
  5. Глинка Н.Л., 2003, с. 155-157.
  6. Коровин и др., 1990, с. 66—69.
  7. Савельев И.В., 1970, с. 494—495.
  8. Глинка Н.Л., 2003, с. 163.
  9. Селезнёв Ю.А., 1969, с. 352 — 353.

ДжерелаРедагувати

  • Глинка Н.Л. Общая химия. — 30. — М. : Интеграл- Пресс, 2003. — 728 с. — ISBN 5-89602-017-1.
  • Даниэльс Ф., Олберти Р. Физическая химия. — М. : Мир, 1978. — 648 с.
  • Коровин и др. Курс общей химии. — 2. — М. : «Высшая школа», 1990. — 446 с. — ISBN 5-06-000-663-8.
  • Савельев И.В. Курс физики. — М. : «Наука», 1970. — Т. 1. — 496 с. — ISBN 5-02-014052-x:5-02-014430-4.
  • Селезнёв Ю.А. Основы элементарной физики. — 3. — М. : «Наука», 1969. — 496 с.