Свойства твердых тел

Что считается твердым веществом

Когда говорят, что определенное тело имеет конкретную форму и не способно растекаться, физик отнесет его к группе твердых тел. Для него характерна микроскопическая структура, при которой атомы располагаются друг возле друга фиксировано, взаимодействуют посредством химических связей, часто образуя кристаллическую решетку.

Сегодня существует четыре основных агрегатных состояния веществ. Для каждого характерен ряд признаков. Твердое тело внешне отличается постоянством формы, а на микроскопическом уровне — малыми колебаниями атомов в районе положения равновесия. Изучением структуры таких тел занимается особый раздел науки — физика твердых тел.

В зависимости от особенностей кристаллической решетки принято различать кристаллические и аморфные состояния. Если в расположении атомов заметна пространственная периодичность (а также присутствует дальний порядок), такое состояние является кристаллическим. При колебаниях атомов вокруг хаотично расположенных точек говорят об аморфности тела. В аморфных телах сохраняется ближний порядок расположения атомов. При нем согласованность расположения сохраняется только для расстояний, которые могут быть сопоставимы с размерами самих частиц.

С точки зрения классического твердого тела, то оно имеет кристаллическое строение, а аморфное стремится к этому состоянию.

В зависимости от типов связи между атомами различают варианты:

• с ионной природой;
• с ковалентной;
• с металлической;
• с другими типами.

Существует также классификация в зависимости от характера движения электронов снаружи атома (особенности, лежащие в основе электрических свойств), а именно:

• диэлектрические вещества;
• полупроводники;
• проводники.

По магнитным свойствам различают:

• диамагнетики;
• парамагнетики;
• тела, имеющие упорядоченное магнитное строение.

Поскольку атомы твердых тел, хоть и медленно, но движутся, они обладают тепловой энергией. Однако это при обычных условиях тактильно не чувствуется.

Какие физические свойства характерны твердым телам, таблица

При отсутствии внешнего воздействия твердое тело сохраняет свою форму. При появлении внешних сил, прилагаемых к нему, начинается процесс, который дает объяснение многим физическим процессам. Под действием наружных сил твердое тело начинает деформироваться, что можно назвать его сопротивлением. Признаком, свойственным твердым телам, является факт развития сопротивления даже при изгибах, кручениях, сдвигах.

Деформация бывает:

• упругой;
• пластической;
• разрушительной.

Отличие упругого процесса в том, что по мере прекращения внешнего воздействия форма тела восстанавливается до первоначальных характеристик.

При пластической деформации возвращение начальной формы не происходит, в том числе по мере прекращения действия силы. Изменения не происходят одномоментно, для них необходимо длительное воздействие. Для обозначения таких процессов в физике применяется понятие «ползучесть».

При воздействии внешней силы, превышающей порог деформации твердого тела, наступает фаза разрушения. Время ее наступления зависит от прочности материала — величины, рассчитанной математически практически для всех применяемых веществ.

Кроме способности к деформации твердым телам свойственны следующие физические характеристики:

1. Звукопроводность. Способность к проведению звука присутствует благодаря волне, которая переносит деформацию как в продольном, так и в поперечном направлениях. Характеризуют этот процесс показатели скорости звука. Для твердых тел они превышают значения газовой проводимости, поскольку присутствует более сильное взаимодействие атомов кристаллической решетки.
2. Способность проводить тепло. Для каждого твердого тела существует температура плавления — параметр, при котором оно переходит в жидкое состояние. В то же время существует скрытая теплота плавления. Ею объясняется постепенный переход аморфного твердого тела в жидкость при нагревании.
3. Электромагнитные свойства. В зависимости от электронного строения твердые тела подразделяют на диэлектрики, проводники и полупроводники. Электропроводность проводников связана с изменениями температуры. Кроме этого, науке известны вещества, отнесенные к классу пироэлектриков — вариантов, когда возможна спонтанная поляризация.

Отдельные твердые тела характеризуются сверхпроводимостью (при отсутствии сопротивления) — свойством, проявляющимся при низких температурах.

Кроме электрической, говорят об ионной проводимости. Материалы, в которых она присутствует, относят к классу супериоников. Чаще это так называемые ионные кристаллы.

Названные физические свойства твердых тел объясняются упорядочением в своем внутреннем строении. Структурные частицы (атомы, ионы, молекулы) составляют характерную кристаллическую решетку, в которой каждому элементу отведено конкретное место. Эти частицы совершают колебательные движения, однако они носят ограниченный характер. Частицы практически не сдвигаются со своих мест, позволяя сохранить телу твердость и постоянство формы. Именно такие особенности обуславливают нулевую сжимаемость тел, высокую плотность и определенную температуру плавления.

В зависимости от коэффициентов своей плотности каждое твердое тело может в тот или иной момент расколоться под действием силы. Такое свойство называется хрупкостью. Показатели хрупкости также зависят от особенностей строение кристаллической решетки и определены экспериментальным путем.

Основной существенный признак

Составляя описание любого твердого тела, в первую очередь обращают внимание на его размеры и форму. В отличие от жидкого агрегатного состояния, при котором молекулы вещества колеблются вокруг определенных точек с возможностью выскакивать за пределы, в твердых телах их положение стабильно. Таким различным «поведением» структурных компонентов характеризуются жидкости (обладающие текучестью) и твердые вещества.

В то же время структура кристаллической решетки стабильна не только в ближнем порядке. Она равномерна в различных направлениях кристалла, в т.ч. дальнем.

Благодаря особенностям своего молекулярного строения и наличию прочных связей внутри кристаллической решетки, твердые тела механически прочны. Внутрь них невозможно затекание прочего вещества, потому что расстояние между собственными атомами четко определено.

Относительно жидкого тела: молекулы, занимающие свои места на поверхности, испытывают действие силы со стороны соседних структурных единиц. При этом она направлена внутрь. Поэтому жидкость стремится занять минимальную площадь и сверху как будто покрыта пленкой. В состоянии невесомости любая жидкость вовсе примет форму шара. Для твердого тела такие особенности не свойственны. Его форма и размер, а также физические свойства останутся постоянными даже в состоянии невесомости. Однако под воздействием силы высокой интенсивности, межмолекулярные связи могут быть разрушены. Это проявится деформациями или разрушением. Для каждого твердого вещества, в зависимости от его индивидуальных особенностей (например, плотности) величины разрушающей силы различны.

Твердые тела, внутри которых существует кристаллическая решетка, характеризуются анизотропностью, т.е. их свойства зависят еще и от направлений внутри кристалла. Касательно металлов, анизотропности в основном не существует.

Применение свойств твердых тел на практике

Свойства твердых тел имеют широкое применение на практике. Без их участия не может развиваться промышленность, вестись строительство, изобретаться новые технологии.

В электротехнике и электронике широко используются материалы, проявляющие диэлектрические свойства. Основополагающим элементом подобного оборудования являются полупроводники, позволяющие внедрять новые достижения научно-технического прогресса. Кроме этого, широко применение магнитов, сверхпроводников, а также тех современных материалов, конструкция которых адаптирована к новейшим технологическим процессам.

Благодаря особенностям взаимодействия частиц, в частности у тел, имеющих кристаллическую решетку, твердые тела проявляют электропроводность и характеризуются теплоемкостью. В то же время для одних из твердых тел свойственно поглощение тепла (при этом они нагреваются сами), для других — нет.

Любая техническая отрасль использует твердые тела из-за проявляемых ими свойств. К ним относят:

• тепловые;
• электрические;
• механические;
• оптические и т.п.

Широко применяются кристаллы — твердые тела, в которых атомы и молекулы имеют четко определенное положение. Например, в основе действия квантовых генераторов (или лазеров) лежат характеристики монокристаллов.

Человечеству известно, что многие металлы и сплавы способны повышать свою электрическую проводящую способность при низких температурах. В основе этого явления — открытие Л.Купером связанных пар электронов. Сверхпроводящее состояние характеризуется отсутствием сопротивления электротоку и поэтому очень интересно с практической точки зрения в энергетической отрасли.  

В быту и промышленности особенно ценится такая характеристика, как устойчивость к разрушению. Например, в автомобиле множество внутренних частей трутся друг о друга, поэтому их прочность особенно важна. Металлические детали  по мере своей эксплуатации не меняют своей формы и размеров, выносливы к динамической, знакопеременной и статической нагрузкам. Это дает возможность длительной эксплуатации промышленного оборудования и бытовых технических приборов.

В тот же время в эксплуатации твердых тел важна их пластичность. В ряде технических приборов используются каучуковые прокладки. Они способны придавать амортизационные свойства, препятствуя разрушению внутренних деталей. Сохранение их параметров при длительной эксплуатации имеет свое название — износостойкость.

Для радиотехники важны электрические, оптические и магнитные свойства. Они же применяются в приборостроении. Приборы, основанные на полупроводниковых свойствах, исполняют роль электромагнитов на металлургических заводах, создают высокочастотные условия для функционирования измерительных приборов.

Использование твердых тел носит перспективный характер. По мере развития науки перечень их полезных свойств постоянно пополняется. Следовательно, будущее, как и настоящее, по мере их использования только выигрывает.