Муниципальное образовательное учреждение средняя общеобразовательная школа 15

Муниципальное образовательное учреждение средняя общеобразовательная школа № 15 Кристаллическое состояние вещества Выполнил ученик 10 «А» класса Вяземский Андрей. 2008 год.

Содержание Особенности твердого состояния вещества. Виды твердых тел Свойства твердых тел. Виды кристаллических решеток Дефекты в кристаллах Виды дефектов Деформация, виды деформации Закон Гука Диаграмма растяжения Плавление и отвердевание кристаллических тел Диаграмма состояния вещества Тепловое расширение твердых тел и жидкости

Особенности твердого состояния вещества. Сохранение объема и формы Велики силы взаимодействия между частицами (из-за расстояния между ними) Движение: колебание частиц около положения равновесия

Виды твердых тел Кристаллические Аморфные

Кристаллические твердые тела Монокристаллы (Кварц, алмаз, хрусталь. ) Имеют гладкие плоские поверхности, расположенные под определенными углами. Анизотропия физические свойства зависят от выбранного в кристалле направления (графит, слюда) Причина: неодинаковая плотность расположения атомов и молекул по различным направлениям в кристалле Изотропия – одинаковые физические свойства по всем направлениям

Поликристаллы (Металлы, сахар, соль) Состоят из монокристаллов Структура каменной соли (а) алмаза (б)

Аморфные (стекло, бетон, пластмассы) Свойства: Нет кристаллической структуры; «ближний порядок» - порядок наблюдаемый на малых расстояниях; изотропность; при повышении температуры (t) текут; при низких температурах (t) проявляют свойства твердых тел; При высоких температурах (t) – свойства жидкостей

Свойства твердых тел. • Правильная геометрическая форма (кристаллическая структура); • «дальний порядок» - строгая повторяемость во всех направлениях одного и того же структурного элемента (атома, группы атомов, молекулы и т. д. ); • Определенная температура плавления; • Постоянство углов между ребрами; • Не текут

Виды кристаллических решеток А) Ионные (Na. Cl); Б) Атомные (алмаз) – самые прочные; В) Металлические (все металлы); Г) Молекулярные (лед) – самые непрочные Б А А В Г

Дефекты в кристаллах – нарушения в строгой периодичности в расположении атомов Образуются: Ø в процессе роста; Ø под влиянием механических воздействий; Ø облучение потоками частиц; Ø из-за наличия примесей

Точечные • Замещение одного из атомов кристаллической решетки атомом примеси Виды дефектов Линейные – нарушения структуры сосредоточены в близи • Внедрение атома между узлами кристаллической решетки • Образование вакансий – отсутствие атома в одном из узлов решетки протяженных линий • Краевая дислокация (см. рис. ) • Винтовая дислокация

Деформация – изменение формы и объема тела под действием внешней силы А) Виды деформаций • Растяжение (тросы, канаты, цепи) абсолютное растяжение l=l-l 0, l l 0 где l l Относительное растяжение e= l 0 - конечная длина l 0 - начальная длина

Сжатие (колонны, стены, фундамент) l l 0 Сдвиг (болты, заклепки) F g g - угол сдвига, если он большой то деформация - срез

Кручение (гайки, валы, оси) f f Возникает по действием момента сил

Сжатие растяжение Изгиб Деформируется мало (можно удалить), т. к. в середине бруска существует слой, не подвергающийся ни растяжению, ни сжатию. Эта часть называется нейтральным слоем

Закон Гука (экспериментально установлен в 1660 г. ) s s= l 0 F S l Н [s] = [ 2] = [ Па] м l s= E*e f Где - механическое напряжение возникающее в образце; F – сила упругости возникающая в теле; S – площадь поперечного сечения Закон Гука: при малых деформациях механическое напряжение прямо пропорционально относительному удлинению (E – модуль Юнга, характеризует вещество)

Покажем, что закон Гука в виде F = kx = k l и s= E*e связаны l F s= E*e (1) (2) E= s= (3) l 0 S (2) и (3) в (1): F S = l E* l 0 Итак! F= К= E*S l 0 * l = k l Па * м Н м 2 Н [k] = [ ]=[ ] * 2 м м Физический смысл модуля Юнга: Е= F S l l 0 Если l = l 0 , а S=1 м 2, то E численно равно F Модуль Юнга численно равен силе, способной вдвое увеличить длину образца l =l -l 0 l = l +l 0 = 2 l 0

Закон Гука • • F = kx = k l - интегральная форма s= E*e - дифференциальная форма

Диаграмма растяжений ОА – участок неупругих деформаций, s выполняется закон Гука, п предел пропорциональности АВ – участок пластических деформаций, но остаточные деформации малы, sу s sпч K= s K – запас прочности s - предел упругости ( упр > п на 0. 01% ) ВС – пластическая деформация СD участок текучести Если участок СD значителен, материалы пластичны (медь, золото, пластилин) Если участок СD мал или отсутствует, материалы хрупки (бетон, кирпич, чугун) Е- предел прочности (табличная величина) далее происходит разрушение образца sпч - Предел прочности вещества s - Механическое напряжение возникающее в образце

Свойство Определение Характеристика Упругость Свойство восстанавливать форму и объем после прекращения действия силы Предел упругости Пластичность Свойство сохранять остаточную деформацию Прочность Свойство сопротивляться пластической деформации и разрушению Хрупкость Свойство разрушаться при небольших деформациях и напряжениях, немного больше предела упругости sупр. Предел прочности sпч -

Плавление и отвердевание кристаллических тел. Плавление – переход вещества из твердого состояния в жидкое Отвердевание – переход вещества из жидкого состояния в твердое При каких условиях пойдут процессы: • t = tпл = tкр • Q = ± lm, где Q – количество теплоты, которое тело получает при плавлении (+) или отдает (-) при кристаллизации l– удельная теплота плавления (кристаллизации) (см. табл. ) m – масса тела необходимо подводить (отводить) энергию • наличие центров кристаллизации ! Температура в процессе плавления и отвердевания не изменяется. После того как достигнута температура плавления вся подводимая энергия идет на совершение работы по разрушению кристаллической решетки, т. е. на увеличение потенциальной энергии молекул. В процессе плавления кинетическая энергия молекул не изменяется (t = tпл = const) Во время затвердевания вещества его молекулы располагаются упорядоченно, образуя кристаллическую решетку. Их потенциальная энергия в процессе кристаллизации уменьшается, а кинетическая энергия остаётся неизменной. Поэтому при кристаллизации температура не изменяется, происходит отдача энергии окружающим телам

Диаграмма состояния вещества р АК – равновесное состояние между жидкостью и газом; В Тв. тело жидкость АВ – равновесное состояние между тв. телом и жидкостью (почти вертикальна, т. к. tпл слабо зависит от давления); К ртр А газ АС – равновесное состояние между тв. телом и газом; С Ттр Т Тройная точка – точка на диаграмме, изображающая равновесие между тремя состояниями вещества «Равновесное» означает, что при давлениях и температурах, соответствующих точкам кривых, различные состояния вещества Находятся в динамическом равновесии: сколько частиц пришло из одного состояния в другое, столько частиц из другого состояния вернулось в первое

Тепловое расширение твердых тел и жидкостей А) Твердые тела: • Если t = 00 C l 0 t=t l l = l 0 (1 + a t ) = l 0 (1 + a T ) l = l – l 0 = al 0 t a - коэффициент линейного расширения Если t = 00 C V 0 t=t V = V 0 (1 + b t ) = V 0 (1 + b T ) V = V – V 0 = b. V 0 t V b - коэффициент объемного расширения b=3 a Б) жидкости: V = b. V 0 t V = V 0 (1 + b T )

Задачи: Задача (1) Задача (2) Задача (3) Задача (4)

Задача: К концам стальной проволоки длиной 3 м и сечением 1 мм 2 приложены растягивающие силы по 210 Н каждая. Найти абсолютное и относительное удлинение Дано: l 0 = 3 см мм 2 S=1 F = 210 H l -? e -? l=l-l 0 (1) l E= l 0 (2) F s= (3) S s= E*e (4) S = E*e Из (5) e= F * l 0 Е= S*E (6) Из (6) l= F * l 0 (7) S*E 210 H e=1 мм 2 * 210 ГПа (3) = (4) F По физическому смыслу модуля Юнга (5) F S*E l= 210 H * 3 м = 10 -3 = 3 мм 1 мм 2 * 210 ГПа

Задача: При какой наименьшей длине h свинцовая проволока, подвешенная за один конец, разорвется от собственного веса

Задача 4 Продолжение см. след. слайд

Деформация Упругая После прекращения действия силы размеры и форма тела восстанавливаются Пластическая (неупругая) После прекращения действия силы размеры и форма тела не восстанавливаются

Стекло Физические свойства • Стеклом называются все аморфные тела, получаемые путём переохлаждения расплава независимо от их состава и температурной области затвердевания и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости механическими свойствами твёрдых тел, причём процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым. • Свойства стекла зависят от сочетания входящих в их состав компонентов. Наиболее характерное свойство стекла—прозрачность (светопрозрачность оконного стекла 83— 90%, а оптического стекла—до 99, 95%). Стекло типично хрупкое тело, весьма чувствительное к механическим воздействиям, особенно ударным, однако сопротивление сжатию у стекла такое же, как у чугуна. Плотность стекла 2200— 8000 кг/м 3, твёрдость по минералогической шкале 4, 5— 7, 5, микротвёрдость 4— 10 Гн/м 2, модуль упругости 50— 85 Гн/м 2. Предел прочности стекла при сжатии равен 0, 5— 2 Гн/м 2, при изгибе 30— 90 Гн/м 2, при ударном изгибе 1, 5— 2 Гн/м 2. Теплоёмкость стекла 0, 3— 1 к. Дж/кг - К, термостойкость 80°— 1000 °С, температурный коэффициент расширения (0, 56— 12) 109 1/К. Коэффициент теплопроводности стекла мало зависит от его химического состава и равен 0, 7— 1, 3 Вт/(м. К). Коэффициент преломления 1, 4— 2, 2, электрическая проводимость 10 -8— 10 -18 Ом -1. см 1, диэлектрическая проницаемость 3, 8— 16.