Твёрдые тела отличаются от других тел рядом признаков и свойств. Все они имеют сходные между собой характеристики. Все эти свойства и характеристики изучаются в ходе постоянно совершенствующегося познавательного процесса окружающего мира.
Твердые тела физика изучает на протяжении всего своего существования как науки. Исследования, в том числе и при которых изучаются свойства тел, проводятся на микро и макроуровнях. Изучение физических тел, включая свойства твёрдых тел – один из основных вопросов современной физики.
Основные свойства твердых тел
Твердым телам свойственны: упругость, пластичность и хрупкость.
Упругость – свойство тела возвращать форму в исходное положение после прекращения действия физической силы извне. К примерам можно отнести резину.
Пластичность – свойство, заключающееся в закреплении приобретенной формы после остановки или прекращения внешнего воздействия. Это свойство не восстанавливать свою форму. Примеры: пластилин, глина.
Хрупкость – свойство тела разрушаться при малых деформациях. Примеры: стекло, фарфор.
Механические свойства твёрдых тел
Типы твердых тел
Зависимо от степени проявления тех или иных свойств, все твердые тела можно поделить на такие основные типы:
- Аморфные
- С кристаллической структурой
Огромное разнообразие твердых тел по сути можно рассматривать как бесконечное количество молекулярных связей. Без использования всего разнообразия твердых тел с различными свойствами и характеристиками невозможно было бы представить себе текущий уровень развития науки и техники. Множество приборов и серьезного научного оборудования созданы на основании знаний того, какими свойствами обладают твердые тела, например, огромное количество электронного оборудования использует полупроводники со своими уникальными свойствами и возможностями. Речь идет о магнитах, сверхпроводниках и прочих материалах, без которых было бы невозможным такое стремительное развитие науки.
Таким образом, твёрдые тела это один из важнейших предметов изучения физики и одно из важнейших предпосылок к перспективам развития науки. В частности, сегодня ученых интересуют свойства твердых тел с кристаллической структурой внутреннего строения, которые проявляются в результате взаимодействия частиц.
Коллективные свойства электронов дают возможность электропроводности тех или иных тел, тип коллективного колебания, возникающего при поглощении тепла, определяет степень теплоемкости. Определено, что тепловые свойства твердых тел разные: некоторым твердым телам более свойственно поглощение тепла и соответственного нагревания, а некоторым – меньше. На основании получаемых данных рассматриваются варианты, при которых управление свойствами твердых тел используется в полезных практических и научных целях.
Свойства кристаллических твердых тел предполагают наличие кристаллической решетки. В этих телах частицы имеют четкую структуру, четкую периодичность и порядок размещения структурных единиц и составляющих элементов всей конструкции. Свойства твердого вещества аморфного типа – совершенно иные. Они представляют собой огромное количество хаотичного скопления атомов.
Еще одной отличительной чертой кристаллического тела является анизотропность. Данная характеристика твердых тел-кристаллов предполагает зависимость свойств тела от направления внутри кристалла.
Кристаллическая структура присуща всем металлам, именно поэтому они – лучшие материалы для строительства. Однако важно обратить внимание на то, что анизотропность не проявляется постоянно. В обычном состоянии эта характеристика никак не проявляется у металлов. Оказывается, в некоторых случаях вещество может пребывать в аморфном и кристаллическом состоянии одновременно.
Свойства твердых веществ аморфного типа
Для тел аморфного типа свойственна изотропность, которая предполагает равные показатели по всем направлениям. Приведем в пример стекло, леденцы. При достаточных внешних воздействиях эти тела приобретут другую форму и другие признаки.
К основным свойствам аморфных тел относятся:
Упругие свойства твердых тел проявляются во всех твердых телах, а текучесть – это признак жидкости.
Такая характеристика твердых тел как упругость проявляется при кратковременных силовых воздействиях. Стоит же применить больше силы, и они могут расколоться на частицы. При интенсивном же и длительном взаимодействии твердые тела могут проявлять текучесть.
Особые свойства твердых тел
- Анизотропия – одно из свойств твердого вещества, которое заключается в зависимости физических свойств от направления в кристалле.
- Изотропия – отсутствие зависимости свойства тела от направления
- Полиформизм – особое свойство, которое заключается в способности твёрдых тел находиться в состоянии с различной кристаллической решёткой. Свойство присуще только твердому агрегатному состоянию веществ.
Молекулы и атомы тел типа аморфные поддаются колебаниям, однако незначительным по сравнению с жидкостью, поэтому по внутренним свойствам их можно приравнять к кристаллическим.
Их атомы не находятся в постоянном процессе перестраивания из одного положения в другое, поэтому их состояние равновесия характеризуется как неменяющееся. Аморфные тела в состоянии низкой температуры отвечают свойствам твердых тел. При повышении температуры – меняются связи на молекулярном уровне, а тела начинают напоминать по своим свойствам жидкость.
Аморфные тела имеют одновременно схожесть и с кристаллическими, и с твердыми телами, и с жидкими. Из частицы находятся в определенном порядке, что позволяет создавать материалы, вещества, предметы с заданными и ожидаемыми свойствами. Управляемые свойства твердых тел физика рассматривает как одно из самых основных направлений практически ориентированного изучения того, какими общими свойствами обладают твердые тела и как этими свойствами управлять.
Пластичность и хрупкость
Есть ряд материалов, которые претерпевают деформацию при небольшом внешнем воздействии. Это свойство пластичности, которое отличает аморфные твердые тела.
Другая группа материалов – это материалы, способные разрушиться при незначительном воздействии. Это свойство хрупкости, оно на практике оказывается более востребованным, чем упругость и пластичность. Одним из наиболее хрупких материалов является фарфор. Нам известно, что будет с фарфоровым предметом, если уронить его с высоты.
Один и тот же материал условно способен приобретать упругость или пластичность зависимо от возникающих напряжений. У разных материалов свой предел прочности: при определенной нагрузке происходит разрыв материала. В таком случае говорят, что напряжение в этом момент достигло своего максимального значения. Эта величина зависит от материала и качества его обработки.
Источник: www.homework.ru
10 класс
Если рассматривать при помощи лупы или микроскопа крупинки сахара, соли, медного купороса и т. п., то можно заметить, что они ограничены плоскими, как бы шлифованными гранями. Наличие таких естественных граней является признаком нахождения вещества в кристаллическом состоянии.
Кристаллом называют тело определённой геометрической формы, ограниченное естественными плоскими гранями.
Тело, представляющее собой одиночный кристалл, называют монокристаллом.
На рисунке 6.42 приведены примеры монокристаллов: а — кристалл исландского шпата; б — кристалл медного купороса; в — кристалл изумруда. Маленькая крупинка сахарного песка является монокристаллом. Большинство же кристаллических тел состоит из множества беспорядочно расположенных и сросшихся между собой мелких кристалликов. Такие тела называют поликристаллами.
Поликристаллами являются все металлы 1 и минералы.
1 Металлы могут существовать и в виде монокристаллов.
В зависимости от условий многие тела одинакового химического состава в кристаллическом состоянии могут существовать в двух или более разновидностях (модификациях). В этом состоит свойство полиморфизма. Например, углерод имеет различные модификации, например графит и алмаз. Графит — мягкий материал матово-чёрного цвета.
Из него изготавливают грифели карандашей. Алмаз — прозрачный и очень твёрдый кристалл. При температуре около 150 °C (при нагревании в вакууме) алмаз превращается в графит. Для того чтобы графит превратить в алмаз, его нужно нагреть до 2000 °C под давлением 10 10 Па.
Важным свойством монокристалла является анизотропия (от греч. anisos — неравный, tropos — поворот, направление) — неодинаковость его свойств (механических, тепловых, электрических и т. д.) по различным направлениям. Если кристаллы поваренной соли, имеющие кубическую форму, раскалывать, то мелкие осколки будут иметь преимущественно форму прямоугольного параллелепипеда. Это означает, что в направлениях, параллельных граням, прочность кристалла поваренной соли гораздо меньше, чем в диагональных и других направлениях.
Правильность внешней формы твёрдых (кристаллических) тел обусловлена тем, что частицы (атомы, молекулы), из которых эти тела состоят, расположены относительно друг друга в определённом порядке, на строго определённых расстояниях друг от друга.
Атомы или молекулы твёрдых тел в отличие от жидкостей не могут разорвать свои связи с ближайшими соседями и колеблются около определённых положений равновесия. Вследствие теплового движения расстояния между частицами несколько меняются, так как они совершают колебания около определённых точек — положений равновесия частиц. Именно эти точки (их называют узлами) и расположены в определённом порядке.
Если мысленно соединить линиями положения равновесия атомов, то получится правильная пространственная решётка, называемая кристаллической. На рисунке 6.43 показаны кристаллические решётки поваренной соли (а) и алмаза (б).
В пространственной решётке можно выделить наименьший фрагмент, повторением которого можно образовать всю решётку. Этот наименьший фрагмент называют элементарной ячейкой решётки. Так, элементарной ячейкой решётки кристалла криптона является куб (рис. 6.44).
В монокристалле криптона такая ячейка повторяется много раз с неизменной ориентацией. На этом основании говорят, что в кристалле наблюдается дальний порядок в расположении атомов или других частиц (ионов, молекул и т. п.), из которых построен кристалл.
Аморфные тела.
В природе существует множество аморфных (от греч. anιorphos — бесформенный) тел. Тепловые, электрические и оптические свойства аморфных тел одинаковы по всем направлениям, т. е. аморфные тела изотропны. Признаком аморфного тела является неправильная форма поверхности при их изломе.
Аморфные тела подобно кристаллическим телам сохраняют свою форму. Однако спустя длительный промежуток времени аморфные тела изменяют свою форму под действием, например, силы тяжести. Это делает их похожими на жидкости. Так, длинная стеклянная трубка, положенная на опоры, в конце концов под действием силы тяжести прогибается. Аморфное состояние неустойчиво, и рано или поздно вещество из аморфного состояния переходит в кристаллическое.
В расположении атомов (молекул) аморфного тела наблюдается беспорядок. Только ближние атомы-соседи располагаются в относительном порядке. Но строгой повторяемости во всех направлениях одного и того же элемента структуры, которая характерна для кристаллов, в аморфных телах нет. Наблюдается лишь так называемый ближний порядок.
На рисунке 6.45, а схематически изображён фрагмент кристаллической решётки кварца — совокупность правильных шестиугольников. Для сравнения на рисунке 6.45, б показана решётка аморфного кварца. Она имеет неправильную форму: наряду с шестиугольниками встречаются пяти- и семиугольники и т. д.
По мере повышения температуры аморфные тела постепенно размягчаются. Это происходит потому, что с ростом температуры учащаются перескоки атомов из одного положения равновесия в другое. Определённой температуры плавления у аморфных тел в отличие от кристаллических веществ нет. Поэтому аморфные твёрдые тела можно рассматривать как переохлаждённые жидкости с очень большой вязкостью.
Тепловое расширение твёрдых тел.
При изменении температуры размеры тел меняются: при нагревании, как правило, увеличиваются, при охлаждении — уменьшаются.
Исследования физических явлений опытным путём
Расширение небольшого стального шара, нагретого на газовой горелке, можно заметить по его прохождению через кольцо. Холодный шар легко проходит через кольцо (рис. 6.46, а), а нагретый — застревает в нём (рис. 6.46, б). Когда шар остынет, он снова проходит через кольцо.
При нагревании тела среднее расстояние между колеблющимися молекулами увеличивается, поэтому увеличиваются и размеры тела. Применительно к твёрдым телам, форма которых при изменении температуры (при равномерном нагревании или охлаждении) не меняется, различают изменение линейных размеров (длины, диаметра и т. п.) — линейное расширение и изменение объёма — объёмное расширение.
Опыт показывает, что при небольших изменениях температуры изменение линейных размеров твёрдого тела прямо пропорционально изменению температуры. Удлинение тела при нагревании (или укорочение при охлаждении) зависит также от его первоначальной длины. Поэтому удобнее рассматривать не само удлинение тела, а относительное удлинение: отношение увеличения длины Δl = l — l0 к первоначальной длине l0. Относительное удлинение пропорционально изменению температуры Δt = t — t0:
Коэффициент пропорциональности ɑɪ называют температурным коэффициентом линейного расширения. Он показывает, на какую долю своего первоначального значения изменяются линейные размеры тела при его нагревании на 1 К. Коэффициент линейного расширения зависит от природы вещества, а также от температуры. Однако, если рассматривать изменения температуры в не слишком широком интервале, зависимостью aɪ от температуры можно пренебречь и считать температурный коэффициент линейного расширения величиной постоянной для данного вещества. Для большинства твёрдых тел его значения составляют 10 -5 — 10 -6 K -1 .
Линейный размер твёрдого тела, как следует из формулы (1), зависит от изменения температуры следующим образом:
В формулах (1) и (2) обычно начальное значение температуры полагают равным нулю (t0 = 0 °C). Соответственно l0 считают длиной тела при этой температуре.
На практике начальная температура тела далеко не всегда бывает равна 0 °C. Расчёт длины твёрдого тела при любой температуре выполняют следующим образом. Пусть при температуре t1 длина тела равна l1, а при температуре t2 она равна l2. Тогда длину l2 можно определить по приближённой формуле:
Линейные размеры твёрдых тел увеличиваются прямо пропорционально росту температуры.
При тепловом расширении твёрдых тел возникают силы, которые могут разрушать мосты, изгибать железнодорожные рельсы (рис. 6.47), разрывать провода линий электропередачи. Для того чтобы этого не случилось, при конструировании того или иного сооружения необходимо учитывать тепловое расширение. Например, железнодорожные рельсы на стыках имеют зазор. Несущие детали мостов ставят на катки, способные передвигаться при изменениях длины моста зимой и летом.
Вопросы:
б) кристаллической решёткой?
2. В чём заключается свойство анизотропии монокристаллов? Обладают ли этим свойством поликристаллы?
3. В каких телах в расположении атомов или других частиц наблюдается:
а) дальний порядок;
б) ближний порядок?
4. Охарактеризуйте структуру и свойства аморфных тел.
5. В чём заключается физический смысл температурного коэффициента линейного расширения?
Вопросы для обсуждения:
1. Шар, выточенный из монокристалла, при нагревании может изменить не только свой объём, но и форму. Почему?
2. Почему при соединении железнодорожных рельсов оставляют промежутки в стыках, а трамвайные рельсы часто сваривают без промежутков?
Упражнения:
1. При температуре, равной 0 °C, было отмерено 500 м алюминиевой и столько же медной проволоки. Чему будет равна разность длин проволок при температуре 100 °C? Температурный коэффициент линейного расширения алюминия равен 22,9 ∙ 10 -6 К -1 , меди — 16,7 ∙ 10 -6 К -1 .
2. По железной проволоке длиной 6 м пропущен электрический ток. При этом проволока накалилась докрасна и удлинилась на 37 мм. На сколько повысилась её температура? Температурный коэффициент линейного расширения железа равен 1,2 ∙ 10 -5 C -1 .
Это любопытно.
На переднем крае науки и техники
В 1985 г. была открыта ранее неизвестная модификация углерода — фуллерен C60. Молекула фуллерена представляет собой замкнутую сферу, составленную из правильных пятиугольников (пентагонов) и шестиугольников (гексагонов) с атомами углерода в вершинах (рис. 6.48).
Это молекулярное соединение по форме напоминает футбольный мяч. В отличие от графита и алмаза, структура которых представляет собой периодическую решётку атомов, минимальным элементом структуры молекулы фуллерена является не атом, а молекула. В 1985 г. Роберт Кёрл (р.
1933), Харольд Крото (1939—2016), Ричард Смолли (1943—2005) исследовали спектры паров графита, полученных при лазерном облучении твёрдого образца. В экспериментах твёрдая графитовая мишень подвергалась воздействию мощного лазерного излучения. В результате происходило образование плазмы, имеющей температуру 5000 — 10000 °C, в которой и синтезировались молекулы C60. Они идентифицировались методом масс-спектроскопии, т. е. с помощью прибора, позволяющего сортировать атомы и молекулы по их массам. За открытие фуллеренов Р. Кёрл, X. Крото и Р. Смолли были удостоены Нобелевской премии по химии 1996 г.
Свое название фуллерены получили по фамилии архитектора Ричарда Бакминстера Фуллера (1895—1983), сконструировавшего купол павильона США на выставке в Монреале в 1967 г. в виде сочленённых пяти- и шестиугольников (рис. 6.49).
В настоящее время ведутся исследования по использованию фуллеренов для создания фотоприёмников и оптоэлектронных устройств, алмазных и алмазоподобных плёнок, сверхпроводящих материалов, синтеза металлов и сплавов с новыми свойствами. Аккумуляторы на основе фуллеренов способны запасать в 5 раз больше энергии (по сравнению с распространёнными сегодня литиевыми аккумуляторами). При этом такие батареи будут иметь более высокую эффективность, малый вес, а также экологическую безопасность. Аккумуляторы на основе фуллеренов могут найти широкое применение для питания персональных компьютеров и слуховых аппаратов.
По мнению специалистов, фуллерены найдут применение в биологии, медицине и фармакологии. Молекулы фуллерена обладают высокой химической активностью благодаря большому числу свободных связей, способных присоединять различные радикалы. Фуллерены могут выступать как замедлители действия белков, блокируя нежелательные реакции, как антиоксиданты, связывая свободные радикалы, и др.
Источник: xn—-7sbbfb7a7aej.xn--p1ai
Какое свойство твердых тел учитывается при строительстве линий электропередач
Как можно обозначит значение линий электропередач? Есть ли точное определение проводам, по которым передается электроэнергия? В межотраслевых правилах технической эксплуатации электроустановок потребителей есть точное определение. Итак, ЛЭП – это, во-первых, электрическая линия. Во-вторых, это участки проводов, которые выходят за пределы подстанций и электрических станций.
В-третьих, основное назначение линий электропередач – это передача электрического тока на расстоянии.
Железные опоры ЛЭП
Классификация
По тем же правилам МПТЭЭП производится разделение ЛЭП на воздушные и кабельные. Но необходимо отметить, что по линиям электропередач производится также передача высокочастотных сигналов, которые используются для передачи телеметрических данных, для диспетчерского управления различными отраслями, для сигналов противоаварийной автоматики и релейной защиты. Как утверждает статистика, 60000 высокочастотных каналов сегодня проходят по линиям электропередач. Скажем прямо, показатель значительный.
Воздушные ЛЭП
Воздушные линии электропередач, их обычно обозначают буквами «ВЛ» – это устройства, которые располагаются на открытом воздухе. То есть, сами провода прокладываются по воздуху и закрепляются на специальной арматуре (кронштейны, изоляторы). При этом их установка может проводиться и по столбам, и по мостам, и по путепроводам. Не обязательно считать «ВЛ» те линии, которые проложены только по высоковольтным столбам.
Что входит в состав воздушных линий электропередач:
- Основное – это провода.
- Траверсы, с помощью которых создаются условия невозможности соприкосновения проводов с другими элементами опор.
- Изоляторы.
- Сами опоры.
- Контур заземления.
- Молниеотводчики.
- Разрядники.
То есть, линия электропередач – это не просто провода и опоры, как видите, это достаточно внушительный список различных элементов, каждый из которых несет свои определенные нагрузки. Сюда же можно добавить оптоволоконные кабели, и вспомогательное к ним оборудование. Конечно, если по опорам ЛЭП проводятся высокочастотные каналы связи.
Строительство ЛЭП, а также ее проектирование, плюс конструктивные особенности опор определяются правилами устройства электроустановок, то есть ПУЭ, а также различными строительными правилами и нормами, то есть СНиП. Вообще, строительство линий электропередач – дело непростое и очень ответственное. Поэтому их возведением занимаются специализированные организации и компании, где в штате есть высококвалифицированные специалисты.
Классификация воздушных линий электропередач
Сами воздушные высоковольтные линии электропередач делятся на несколько классов.
- Переменного,
- Постоянного.
В основе своей воздушные ВЛ служат для передачи переменного тока. Редко можно встретить второй вариант. Обычно он используется для питания сети контактной или связной для обеспечения связью несколько энергосистем, есть и другие виды.
По напряжению воздушные ЛЭП делятся по номиналу этого показателя. Для информации перечислим их:
- для переменного тока: 0,4; 6; 10; 35; 110; 150; 220; 330; 400; 500; 750; 1150 киловольт (кВ);
- для постоянного используется всего один вид напряжение – 400 кВ.
При этом линии электропередач напряжением до 1,0 кВ считаются низшего класса, от 1,0 до 35 кВ – среднего, от 110 до 220 кВ – высокого, от 330 до 500 кВ – сверхвысокого, выше 750 кВ ультравысокого. Необходимо отметить, что все эти группы отличаются друг от друга лишь требованиями к расчетным условиям и конструктивным особенностям. Во всем остальном – это обычные высоковольтные линии электропередач.
Линии электро передач поднимаются очень высоко над землей и в качестве изоляционного материала используется воздух.
Напряжение ЛЭП соответствует их назначению.
- Высоковольтная линия напряжением свыше 500 кВ считаются сверхдальними, они предназначаются для соединения отдельных энергосистем.
- Высоковольтная линия напряжением 220, 330 кВ считаются магистральными. Их основное назначение – соединить между собой мощные электростанции, отдельные энергосистемы, а также электростанции внутри данных систем.
- Воздушные ЛЭП напряжением 35-150 кВ устанавливаются между потребителями (большими предприятиями или населенными пунктами) и распределительными пунктами.
- ВЛ до 20 кВ используются в качестве линий электропередач, которые непосредственно подводят электрический ток к потребителю.
Классификация ЛЭП по нейтрале
- Трехфазные сети, в которых нейтраль не заземлена. Обычно такая схема используется в сетях напряжением 3-35 кВ, где протекают малые токи.
- Трехфазные сети, в которых нейтраль заземлена через индуктивность. Это так называемый резонансно-заземленный тип. В таких ВЛ используется напряжение 3-35 кВ, в которых протекают токи большой величины.
- Трехфазные сети, в которых нейтральная шина полностью заземлена (эффективно-заземленная). Этот режим работы нейтрали используется в ВЛ со средним и сверхвысоким напряжением. Обратите внимание, что в таких сетях необходимо использовать трансформаторы, а не автотрансформаторы, в которых нейтраль заземлена наглухо.
- И, конечно, сети с глухозаземленной нейтралью. В таком режиме работают ВЛ напряжением ниже 1,0 кВ и выше 220 кВ.
К сожалению, существует и такое разделения линий электропередач, где учитывается эксплуатационное состояние всех элементов ЛЭП. Это ЛЭП в нормальном состоянии, где провода, опоры и другие составляющие находятся в приличном состоянии. В основном упор делается на качество проводов и тросов, они не должны быть оборваны. Аварийное состояние, где качество проводов и тросов оставляет желать лучшего. И монтажное состояние, когда производится ремонт или замена проводов, изоляторов, кронштейнов и других компонентов ЛЭП.
Схема воздушных линий электропередач
Элементы воздушной ЛЭП
Между специалистами всегда происходят разговоры, в которых применяются специальные термины, касающиеся линий электропередач. Непосвященному в тонкости сленга понять этот разговор достаточно сложно. Поэтому предлагаем расшифровку этих терминов.
- Трасса – это ось прокладки ЛЭП, которая проходит по поверхности земли.
- ПК – пикеты. По сути, это отрезки трассы ЛЭП. Их длина зависит от рельефа местности и от номинального напряжения трассы. Нулевой пикет – это начало трассы.
- Строительство опоры обозначается центровым знаком. Это центр установки опоры.
- Пикетаж – по сути, это простая установка пикетов.
- Пролет – это расстояние между опорами, а точнее, между их центрами.
- Стрела провеса – это дельта между самой низшей точкой провеса провода и строго натянутой линией между опорами.
- Габарит провода – это опять-таки расстояние между самой низшей точкой провеса и самой высшей точкой пролегаемых под проводами инженерных сооружений.
- Петля или шлейф. Это часть провода, которая соединяет на анкерной опоре провода соседних пролетов.
Кабельные ЛЭП
Итак, переходим к рассмотрению такого понятия, как кабельные линии электропередач. Начнем с того, что это не голые провода, которые используются в воздушных линиях электропередач, это закрытые в изоляцию кабели. Обычно кабельные ЛЭП представляют собой несколько линий, установленные рядом друг с другом в параллельном направлении. Длины кабеля для этого бывает недостаточно, поэтому между участками устанавливаются соединительные муфты. Кстати, нередко можно встретить кабельные линии электропередач с маслонаполнением, поэтому такие сети часто укомплектовываются специальной малонаполнительной аппаратурой и системой сигнализации, которая реагирует на давление масла внутри кабеля.
Если говорить о классификации кабельных линий, то они идентичны классификации линий воздушных. Отличительные особенности есть, но их не так много. В основном эти две категории отличаются между собой способом прокладки, а также конструктивными особенностями. К примеру, по типу прокладки кабельные ЛЭП делятся на подземные, подводные и по сооружениям.
Две первые позиции понятны, а что относится к позиции «по сооружениям»?
- Кабельные туннели. Это специальные закрытые коридоры, в которых производится прокладка кабеля по установленным опорным конструкциям. В таких туннелях можно свободно ходить, проводя монтаж, ремонт и обслуживание электролинии.
- Кабельные каналы. Чаще всего они являются заглубленными или частично заглубленными каналами. Их прокладка может производиться в земле, под напольным основанием, под перекрытиями. Это небольшие каналы, в которых ходить невозможно. Чтобы проверить или установить кабель, придется демонтировать перекрытие.
- Кабельная шахта. Это вертикальный коридор с прямоугольным сечением. Шахта может быть проходной, то есть, с возможностью помещаться в нее человеку, для чего она снабжается лестницей. Или непроходной. В данном случае добраться до кабельной линии можно, только сняв одну из стенок сооружения.
- Кабельный этаж. Это техническое пространство, обычно высотою 1,8 м, оснащенное снизу и сверху плитами перекрытия.
- Укладывать кабельные линии электропередач можно и в зазор между плитами перекрытия и полом помещения.
- Блок для кабеля – это сложное сооружение, состоящее из труб прокладки и нескольких колодцев.
- Камера – это подземное сооружение, закрытое сверху железобетонной или плитой. В такой камере производится соединение муфтами участков кабельной ЛЭП.
- Эстакада – это горизонтальное или наклонное сооружение открытого типа. Она может быть надземной или наземной, проходной или непроходной.
- Галерея – это практически то же самое, что и эстакада, только закрытого типа.
И последняя классификация в кабельных ЛЭП – это тип изоляции. В принципе, основных видов два: твердая изоляция и жидкостная. К первой относятся изоляционные оплетки из полимеров (поливинилхлорид, сшитый полиэтилен, этилен-пропиленовая резина), а также другие виды, к примеру, промасленная бумага, резино-бумажная оплетка. К жидкостным изоляторам относится нефтяное масло.
Есть и другие виды изоляции, к примеру, специальными газами или другими видами твердых материалов. Но их используют сегодня очень редко.
Заключение по теме
Разнообразие линий электропередач сводится к классификации двух основных видов: воздушных и кабельных. Оба варианта сегодня используются повсеместно, поэтому не стоит отделять один от другого и давать предпочтение одному перед другим. Конечно, строительство воздушных линий сопряжено с большими капиталовложениями, потому что прокладка трассы – это установка опор в основном металлических, которые имеют достаточно сложную конструкцию. При этом учитывается, какая сеть, под каким напряжением будет прокладываться.
- Главная
- Вопросы шиповника в 4 раза меньше, чем жасмина, а сирени столько, сколько жасмина и шиповника вместе. Сколько кустов сирени посадили ученики вокруг школы?
Гость:
Источник: seacoasts.ru
Какое свойство твердых тел учитывается при строительстве линий электропередач
Да по таблицам смотрим Ртуть – 2.85. Бензин – 3. Глицерин – нет в школьных таблицах!
то есть пока бензин.Задача №2.03Газ совершает процессы, изображенные на рис. а – в. Укажите для каждого участка процессов, как меняется внутренняя энергия газа. Найдите участки процессов, на которых газ отдает некоторое количество теплоты, и участки, на которых газ получает некоторое количество теплоты.
Значения p и V, обозначенные на рисунке, заданы.Задача временно отсутствуетЗадача №2.04Давление v молей идеального газа связано с температурой соотношением T = ap2, где s – известная постоянная. Вычислите работу, совершенную газом при увеличении его объема от V1 до V2.
Поглощается или выделяется количество теплоты в этом процессе?Задача временно отсутствуетЗадача №2.05В тепловом процессе один моль идеального одноатомного газа переводят из начального состояния 1 в конечное состояние 4 (рис.). Какое количество теплоты подведено к газу, если разность конечной и начальной температур dT = 100 К? Нарисуйте данный процесс в координатах (p, V)и(p, T).Задача временно отсутствуетЗадача №2.06Если идеальный газ совершает процесс ABC, то ему сообщается количество теплоты Q1 (рис.).
Какое количество теплоты Q2 необходимо сообщить газу в процессе ADC? Величины p1, p2, V1 и V2 заданы.Задача временно отсутствуетЗадача №2.07Кислород массой m = 0,5 кг (M = 0,032 кг/моль1) при температуре T = 320 К охладили изохорно, вследствие чего его давление уменьшилось в n = 3 раза. Затем газ изобарно расширили так, что температура его стала равной первоначальной. Найдите работу газа.
Как изменилась его внутренняя энергия? Какое количество теплоты получил газ?Задача временно отсутствуетЗадача №2.08В длинном вертикальном цилиндре на высоте h от дна находится поршень массой m. Под поршнем находится один моль одноатомного газа при температуре T0. Какое количество теплоты необходимо сообщить газу, чтобы поршень поднялся до высоты 2h?
Трением пренебречь.Задача временно отсутствуетЗадача №2.09В процессе изотермического расширения при T = 300 К одному молю газа сообщили количество теплоты Q = 2,5 кДж. Во сколько раз изменился объем газа?Задача временно отсутствуетЗадача №2.10Из начального состояния, характеризующегося давлением р1 и объемом V1, газ расширяется в одном случае изотермически, в другом – адиабатно до одного и того же объема V2.
Напишите первое начало термодинамики применительно к этим процессам. Как меняется температура газа при адиабатном расширении? В каком из этих процессов окончательное давление больше, а в каком газ совершает большую работу?Задача временно отсутствуетЗадача №2.11В цилиндре компрессора адиабатно сжимают v = 4 моля идеального одноатомного газа. Определите, на сколько поднялась температура газа за один ход поршня, если работа внешних сил A = 500Дж.Задача временно отсутствуетЗадача №2.12Один моль идеального одноатомного газа совершает циклический процесс, состоящий из трех процессов: адиабатного расширения, изотермического сжатия, изохорного нагревания. Какая работа была совершена газом в адиабатном процессе, если в процессе изохорного нагревания к газу было подведено количество теплоты Q31 = 10 кДж?Задача временно отсутсутствоет
правильноПо закону сохранения импульса m*V1=2*m*V
V=m*V1/2*m=3*4/6=2 м/сP * V= m / μ * R * T => T = ( p * V * μ ) / m * R = ( 3000000 Па * 0,04 м³ * 0,044 кг/моль ) / 2 кг * 8,31 Дж/(моль*К) = 5280 / 16,62 = 317,6 К
Ответ: 317,6 КЧтобы решить данную задачу вам надо еще выложить схему
Преподаватель физики Куценко Н. И.
ГБПОУ «Волгоградский колледж
ресторанного сервиса и торговли»
основной профессиональной образовательной программы
по специальности «Поварское и кондитерское дело»
Характеристики твёрдого состояния вещества
Планируемые образовательные результаты
Предметные: обучающиеся смогут
различать: кристаллические, аморфные тела и композиты;
характеризовать монокристаллические и поликристаллические твёрдые тела;
объяснять зависимость физических свойств вещества от направления: анизотропность и изотропность.
Метапредметные
Познавательные:
находить в учебнике достоверную информацию;
анализировать тот факт, что от расположения атомов, их периодичности зависит вид твёрдого тела;
строить логическое обоснование зависимости физических свойств твёрдого тела от направления;
исследовательские умения, ставить эксперимент: по сколу шоколада, сахара, соли, карамели, определить вид твёрдого тела;
построение 3-D модели твёрдого тела. (https://www.tflexcad.ru/help/cad/15/conception_3d.htm)
Регулятивные:
прогнозировать результаты исследовательской деятельности;
планировать свою профессиональную конкурсную работу, в номинации кулинарное искусство, при выборе материала для приготовления мастики;
осознание того, что уже усвоено и что ещё нужно усвоить для оценки качества проведенной работы.
Коммуникативные:
Излагать своё мнение при выборе материала из твёрдого вещества для обеспечения безопасности в профессиональной деятельности;
Создавать устные и письменные отчёты в группе для интерпретации результатов практической работы;
Вырабатывать решениядля коллективного презентования продукта исследовательской деятельности;
Преодолевать конфликты: договариваться с одногруппниками, уметь взглянуть на ситуацию с позиции каждого.
Аргументированно оценивать вклад в групповую практическую деятельность каждого из присутствующих и свой личный;
Осознавать свои эмоции, адекватно выражать и контролировать, понимать эмоциональное состояние других;
Осознавать свои черты характера, интересы, цели, позиции, свой мировоззренческий выбор.
Цель урока: Создать условия:
формирования у обучающихся знаний о видах твёрдых тел: кристаллических, аморфных и композитах;
развития представлений о монокристаллах и поликристаллах;
3) совершенствования навыков поиска учебной информации из текста учебника, Интернет ресурсов;
4) развития познавательного интереса, формирования научного мировоззрения, экологического воспитания.
Задачи урока:
1. По описанию кристаллических, аморфных твёрдых тел и композитов дать качественную характеристику их свойств;
2. Теоретически и экспериментально обосновать зависимость физические свойства материалов от направления;
3. На основе анализа исследовательской работы определить характеристики, от которых зависит вид твёрдого тела.
Тип урока: информационно-развивающий
Обеспечение урока: информационные источники, раздаточный материал; модель кристаллической решётки, материалы твёрдых тел.
Технологическая карта урока
1.Организационный:
1.1ознакомлнение с планируемыми образовательными результатами;
1.2.постановка цели и задач урока;
1.3. определение структуры урока;
1.4. инструктирование по безопасному поведению на уроке
Объяснительно-иллюстративный, метод проблемного изложения
Приветствует, поверяет готовность к уроку.
Сообщает тему урока, планируемые образовательные результаты,
Называет структурные элементы урока.
Объясняет инструктаж безопасного поведения на уроке.
Определяет основные направления работы.
Готовятся к занятию. Воспринимают и записывают тему урока, узнают о планируемых образовательных результатах урока, делают предположения,
задают уточняющие вопросы; знакомятся с инструкцией по безопасному поведению на уроке, формируют группы для выполнения практической работы, определяют этапы своей работы.
2. Основной этап
2.1. Теоретическое описание основных характеристик кристаллических, аморфных твёрдых тел и композитов;
2. 2.Выполнение практической работы для экспериментального исследования зависимости физических свойств материалов от направления;
2.3 . Определение основных характеристик вещества на основе анализа исследовательской работы.
Эвристический метод с элементами исследовательской деятельности
Вспомогательная деятельность в подборе информации. Корректирующая помощь в практической работе, уточнение графической вариации свойств вещества; помощь в организации групповой работы обучающихся.
Наблюдение за исполнением правил безопасного поведения
По учебникам и карточкам выбирают материал, характеризующий кристаллические, аморфные твёрдые тела и композиты;
Выполняют практическую работу: по сколу шоколада, кусков сахара, соли, карамели, леденца определяют принадлежность вещества к виду твёрдого тела;
исследуют зависимость физические свойства от направления;
определяют основные характеристики, от которых зависят или не зависит вид твёрдого тела.
3. Заключительный этап
3.2. Презентация полученных результатов.
Готовит фразы для рефлексивного ряда на доске: сегодня я узнал…
я выполнял задания…
я почувствовал, что…
у меня получилось …
урок дал мне для жизни…
мне захотелось… Помогает обучающимся сформулировать получаемые результаты, презентовать продукт работы.
Ребята по кругу высказываются одним предложением, выбирая начало фразы из рефлексивного ряда самоанализ своей деятельности и её результатов.
Делают выводы о выполненной работе, показывают результаты в форме стендового сообщения. Называют механические свойства материалов, которые характеризуют возможность их использования в изделиях, эксплуатируемых при воздействии внешних нагрузок (Пряничный домик): прочность; твердость;
Их параметры существенно зависят от материала, размеров и состояния исследуемых образцов и
обусловлены силами взаимодействия частиц, составляющих твёрдое вещество.
Теоретический материал
Твердые тела, в отличие от жидких тел, сохраняют не только объем, но и форму. Потенциальная энергия молекул или атомов твердого тела, обусловленная силами притяжения между ними, значительно превышает кинетическую энергию молекул или атомов, которые колеблются около определенных положений равновесия (Е п >>Ек). Если соединить центры положений равновесия атомов, молекул или ионов твердого тела, то получится правильная пространственная решетка, называемая кристаллической.
Кристаллы – это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают определенные, упорядоченные положения в пространстве, т.е. для кристаллов характерен дальний порядок в расположении частиц.
Одиночные кристаллы называют монокристаллами. Они представляют собой тела, ограниченные плоскими гранями. У разных монокристаллов одного и того же вещества углы между соответственными гранями одинаковы, что в первую очередь позволяет различать кристаллы. К монокристаллам, встречающимся в природе, относятся горный хрусталь, алмаз, турмалин и др. Для монокристаллов характерна анизотропия.
Анизотропия – это зависимость физических свойств от выбранного в кристалле
направления. По разным направлениям кристалл имеет различную механическую прочность, по-разному проводит теплоту и электрический ток, имеет разные оптические свойства.
Металлы, сплавы и многие горные породы имеют кристаллическую структуру. Если взять большой кусок металла, то ни внешне, ни в физических свойствах кристаллическое строение никак не проявляется. В обычном состоянии металлы не обнаруживают анизотропии.
Обычно металл состоит из огромного числа сросшихся друг с другом кристаллов, расположенных беспорядочно. В связи с этим в объеме много больше объема отдельных кристаллов, все направления равноправны и свойства металлов одинаковы по всем направлениям.
Твердое тело, состоящее из большого числа маленьких кристалликов, называют поликристаллическим.
Существуют твердые тела, у которых нет строгого порядка в расположении атомов. Только ближайшие соседние атомы располагаются в некотором порядке. Для таких тел, как и для жидкостей, характерен ближний порядок в расположении атомов. Их называют аморфными (греч. amorphos – бесформенный)
Аморфными являются стекло, пластмассы, смола, канифоль, леденцы и др.
Часто одно и то же вещество может быть кристаллическим и аморфным. Все аморфные тела изотропны, то есть их физические свойства одинаковы по всем направлениям. Аморфные тела одновременно упруги (как твердые тела) и текучи (как жидкость).
Твердые тела сохраняют форму, но под действием сил, приложенных к ним,
форма тел меняется, то есть происходит деформация.
Деформацией называется изменение формы или размеров тела.
Деформации, которые полностью исчезают после прекращения действия внешних сил, называются упругими.
Свойство деформированных тел принимать первоначальную форму и объем после прекращения действия внешних сил называется упругостью (пружина, стальные шарики при столкновении и др.).
Деформации, которые не исчезают после прекращения действия внешних сил, называются пластическими.
Свойство деформированных тел сохранять деформацию после прекращения действия внешних сил, называется пластичностью (глина, воск, свинец – при небольших, но длительных воздействиях).
Деление материалов на упругие и пластичные условно, т.к. каждый материал обладает упругостью и пластичностью. Опыт показывает, что при постепенном увеличении нагрузок на материал в теле сначала возникают упругие деформации, а затем пластические.
В машиностроении также приходится учитывать такие механические свойства как хрупкость и твердость.
Существуют материалы, которые при небольших нагрузках упруго деформируются, а при увеличении нагрузки разрушаются прежде, чем у них появится пластическая деформация. Такие материалы называются хрупкими (стекло, кирпич). Хрупкие материалы очень чувствительны к ударной нагрузке.
Твердость материала определяется разными способами. Обычно более твердым считается тот материал, который оставляет царапины на поверхности другого материала. Наиболее твердым материалом считается алмаз. На практике при механических воздействиях на твердые тела встречаются различные виды деформаций, такие как деформация растяжения (сжатия), деформации поперечного и продольного изгиба, деформация кручения, деформация сдвига и др.
Рассмотрим некоторые из них.
1. Деформация растяжения (сжатия)
Если однородный стержень закрепить одним концом, приложить силу F вдоль оси стержня в направлении от этого конца, то стержень подвергается деформации растяжения.
Деформацию растяжения испытывают тросы, канаты, цепи в подъемных устройствах, стяжки между вагонами. Если на тот же стержень действовать силой F , направленной к закрепленному
концу, то стержень подвергается деформации сжатия.
Относительная деформация: ε < 0.
Деформации сжатия подвергаются столбы, колонны, стены, фундаменты стен. При растяжении или сжатии изменяется площадь поперечного сечения тела.
2. Деформация сдвига
Деформацию, при которой происходит смещение слоев тела друг относительно друга, называют деформацией сдвига. Угол сдвига γ прямо пропорционален величине приложенной силы.
Деформацию растяжения характеризуют абсолютным удлинением:
∆ ℓ = ℓ – ℓ0
и относительным удлинением:
ε = ∆ ℓ / ℓ0
ℓ0 – начальная длина;
ℓ – конечная длина стержня.Деформацию сдвига испытывают балки в местах опор, заклепки и болты, скрепляющие детали.
Механические свойства твердых тел существенно зависят от температуры. Например, нагретая сталь приобретает пластичность (ковкость), а резина при очень низкой температуре становится хрупкой. При нагревании твердого тела увеличиваются средние расстояния между
молекулами или атомами, находящимися в узлах кристаллической решетки, и объем кристалла увеличивается.Тепловым расширением называется линейное увеличение размеров тела и
его объема, происходящее при повышении температуры.
1. Линейное расширение
Линейное тепловое расширение характеризуется температурным коэффициентом линейного расширения . Этот коэффициент показывает относительное изменение линейных размеров тела, выполненного из данного материала при изменении температуры на 1К. Пусть при Т0 тело имеет длину ℓ0 . При нагревании до температуры Т его длина увеличивается до ℓ, то есть на ∆ ℓ = ℓ – ℓ0 .
Относительное удлинение тела составит ∆ ℓ / ℓ0 .
Температурный коэффициент линейного расширения – это величина, равная отношению относительного удлинения тела к изменению его температуры на ∆Т = Т – Т0
= ∆ ℓ / ℓ0 ∆Т
Отсюда конечная длина тела определится:
ℓ = ℓ0 (1+ ∆Т )
Температурный коэффициент линейного расширения зависит от рода вещества и дается в таблице.
2. Объемное расширение
С увеличением температуры увеличивается объем твердого тела. Коэффициент объемного расширения – величина, равная отношению относительного увеличения объема ∆V / V0 тела к изменению температуры тела ∆Т:
= ∆V / V0∆Т
Связь между и : = 3
В технике необходимо учитывать тепловое расширение твердых тел. Например, при натягивании проводов на линиях электропередач, устройстве паропроводов (использование петель-компенсаторов), сооружении мостов, прокладке рельс. При строительстве зданий необходимо подбирать материалы с одинаковым коэффициентом объемного расширения. Иначе при изменении температуры в стенах возникнут трещины и перекосы, что может привести все сооружение в аварийное состояние, как и при строительстве пряничного домика, изделий из карамели или мастики.Свойства твердых веществ
Ученые давно изучают свойства твердого состояния вещества. При воздействии на него температур изменяется и оно.
Переход такого тела в жидкость называют плавлением.
Трансформация твердого вещества в газообразное состояние называется сублимацией.
При понижении температуры происходит кристаллизация твердого тела. Некоторые вещества под действием холода переходят в аморфную фазу. Этот процесс ученые называют стеклованием. При фазовых переходах изменяется внутренняя структура твердых тел. Наибольшую упорядоченность она приобретает при понижении температуры.
При атмосферном давлении и температуре Т > 0 К любые вещества, существующие в природе, затвердевают. Только гелий, для кристаллизации которого нужно давление в 24 атм, составляет исключение из этого правила. Твердое состояние вещества придает ему различные физические свойства. Они характеризуют специфическое поведение тел под воздействием определенных полей и сил. Эти свойства подразделяют на группы.
Выделяют три способа воздействия, соответствующие трём видам энергии (механической, термической, электромагнитной).
Соответственно им существует три группы физических свойств твердых веществ:
Механические свойства, связанные с напряжением и деформацией тел. По этим критериям твердые вещества делят на подгруппы: упругие, реологические, прочностные и технологические. В покое такое тело сохраняет свою форму, но оно может изменяться под действием внешней силы.
При этом его деформация может быть пластической (начальный вид не возвращается), упругой (возвращается в первоначальную форму) или разрушительной (при достижении определенного порога происходит распад/разлом). Отзыв на прилагаемое усилие описывают модулями упругости. Твердое тело сопротивляется не только сжатию, растяжению, но и сдвигам, кручению и изгибам.
Прочностью твердого тела называют его свойство сопротивляться разрушению.
Термические свойства, проявляются при воздействии тепловых полей. Одно из самых важных свойств – температура плавления, при которой тело переходит в жидкое состояние. Оно отмечается у кристаллических твердых веществ. Аморфные тела обладают скрытой теплотой плавления, поскольку их переход в жидкое состояние при повышении температуры происходит постепенно.
По достижении определенной теплоты аморфное тело теряет упругость и приобретает пластичность. Это состояние означает достижение им температуры стеклования. При нагревании происходит деформация твердого тела. Причем оно чаще всего расширяется. Количественно это состояние характеризуется определенным коэффициентом.
Температура тела влияет на такие механические характеристики, как текучесть, пластичность, твердость и прочность.
Электромагнитные свойства, связанные с воздействием на твердое вещество потоков микрочастиц и электромагнитных волн большой жесткости. К ним условно относят и радиационные свойства.
Домашнее задание:
изучить записи в тетради;
составить план-характеристику твёрдого тела;
охарактеризовать леденцы, соль, дерево.
Перечень рекомендуемых учебных изданий, Интернет-ресурсов, дополнительной литературы
Мякишев Г. Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика. 10 класс. – М., Просвещение, 2014
Рымкевич А. П..Сборник задач по физике 10-11 классы.– М., Дрофа , 2013
Дмитриева В.Ф. Физика: Учебник для студентов образовательных учреждений начального и среднего профессионального образования.. – 7-е изд., перераб. и доп. М. «Академия», 2014.
Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для образовательных учреждений начального и среднего профессионального образования.- М., Образовательно-издательский центр «Академия» – 2014 г.
Рассказова Г. А. Физика. 9 – 11 классы. В таблицах и схемах., ИП Милосердов И. В., 2011.
Степанова Г.Н. Сборник задач по физике 10-11 классы.– М., Просвещение,2013
Источник: tugrk.ru
Твердые тела и их свойства
В твердых кристаллических телах молекулы образуют упорядоченные структуры во всем объеме кристалла и могут совершать тепловые колебания около фиксированных центров. Молекулы в кристаллах привязаны к определенным центрам и не могут перемещаться по всему объему тела. Этим объясняется то, что твердые тела сохраняют свою форму и объем.
По своим физическим свойствам и молекулярной структуре твердые тела разделяются на два класса – аморфные и кристаллические тела.
Молекулы и атомы в аморфных телах располагаются хаотично, образуя лишь небольшие локальные группы, содержащие несколько частиц (ближний порядок). По своей структуре аморфные тела очень близки к жидкостям. Для аморфных тел, как и для жидкостей, характерен ближний порядок в расположении частиц, но, в отличие от жидкостей, подвижность частиц мала.
Их свойства (механические, тепловые, электрические, оптические) по всем направлениям одинаковы, т.е. аморфные тела изотропны. Изотропность -независимость всех физических свойств (механических, оптических и т. д.) от направления.
Примерами аморфных тел могут служить стекло, различные затвердевшие смолы (янтарь), воск, смола, пластики и т. д. Аморфные тела являются переохлажденными жидкостями (жидкости с большой вязкостью).
Характерной особенностью аморфных тел является отсутствие у них определенной точки плавления, т.е. нельзя указать температуру, выше которой будет жидкое состояние, а ниже – твердое. Если аморфное тело нагревать, то оно постепенно размягчается, и переход в жидкое состояние занимает значительный интервал температур.
Со временем в аморфных телах происходит кристаллизация, поэтому стекло с течением времени теряет прозрачность, мутнеет. В последнее время очень широкое практическое применение получили органические аморфные тела – полимеры. Молекулы полимеров состоят из большого числа одинаковых длинных молекулярных цепочек, соединенных химическими связями. К полимерам относятся крахмал, белок, каучук, пластмасса, резина, капрон и др. вещества. Полимеры обладают прочностью и эластичностью, некоторые из них могут выдерживать растяжение, превышающее их первоначальную длину в 5–10 раз.
В кристаллических телах частицы располагаются в строгом порядке, образуя пространственные периодически повторяющиеся структуры во всем объеме тела. Для наглядного представления таких структур используются пространственные кристаллические решетки, в узлах которых располагаются центры атомов или молекул данного вещества.
Частицы в кристаллах образуют пространственные периодически повторяющиеся структуры, которые называют кристаллические решетки.
Точки в кристаллической решетке, соответствующие наиболее устойчивому положению равновесия частиц твердого тела, называются узлами решетки.
Правильное расположение частиц в узлах кристаллической решетки называют дальним порядком.
Пример ближнего порядка молекул аморфного тела и дальнего порядка молекул кристаллического вещества:
1 – аморфное тело; 2 – твердое тело.
Правильное расположение частиц в решетке является причиной анизотропиикристаллов.
Анизотропиякристаллов заключается в зависимости некоторых физических свойств кристаллов от направления (скорость распространения света, теплопроводность, модуль упругости).
Кристаллические тела могут быть монокристалламии поликристаллами.
Крупные одиночные кристаллы называют монокристаллами.
Поликристаллы состоят из многих сросшихся между собой хаотически ориентированных маленьких кристалликов, которые называются кристаллитами.
Большие монокристаллы редко встречаются в природе и технике. Чаще всего кристаллические твердые тела, в том числе и те, которые получаются искусственно, являются поликристаллами.
Монокристаллы анизотропны. В отличие от монокристаллов, поликристаллические тела изотропны, то есть их свойства одинаковы во всех направлениях. Поликристаллическое строение твердого тела можно обнаружить с помощью микроскопа, а иногда оно видно и невооруженным глазом (чугун).
Многие вещества могут существовать в нескольких кристаллических модификациях (фазах), отличающихся физическими свойствами. Это явление называется полиморфизмом.
Переход из одной модификации в другую называется полиморфным переходом.
Интересным и важным примером полиморфного перехода является превращение графита в алмаз. Этот переход при производстве искусственных алмазов осуществляется при давлениях 60–100 тысяч атмосфер и температурах 1500–2000 К.
В зависимости от характера сил взаимодействия и природы частиц, находящихся в узлах кристаллической решетки, различают четыре типа кристаллических решеток.
1. Ионные кристаллы.В узлах кристаллической решетки находятся ионы (положительно и отрицательно заряженные) атомов, которые входят в состав молекулы данного вещества. Связь между ними обусловлена электрическими (кулоновскими) силами взаимодействия (притяжения) между разноименными ионами.
Примером ионной решетки служит кристалл каменной соли NaCl. Кристаллическая решетка поваренной соли содержит ионы Na + и Cl – , не объединенные попарно в молекулы NaCl. (следует помнить, что частицы в кристаллах плотно упакованы, так что расстояние между их центрами приблизительно равно размеру частиц. В изображении кристаллических решеток указывается только положение центров частиц)
2. Атомные кристаллы.В узлах кристаллической решетки находятся нейтральные атомы. Между ними существует ковалентная связь (связь, при которой каждые два соседних атома удерживаются рядом силами притяжения, возникающими при взаимном обмене между этими атомами двумя валентными электронами).
Примером атомных кристаллов являются алмаз, графит, германий, кремний.
3. Молекулярные кристаллы.В узлах кристаллической решетки находятся молекулы, ориентированные определенным образом. Между молекулами действуют силы притяжения, характерные для взаимодействия молекул.
К молекулярным кристаллам относятся нафталин, парафин, сухой лед СО2, лед Н2О.
4. Металлические кристаллы.В узлах кристаллической решетки находятся положительные ионы металла, между которыми движутся свободные (валентные) электроны, образующие электронный газ. Связь в металлических кристаллах обеспечивается силами притяжения между положительными ионами, находящимися в узлах решетки, и отрицательным электронным газом.
Эти силы притяжения уравновешиваются силами отталкивания между одноименными ионами.
По геометрической конфигурации кристаллические решетки можно разделить на кубические и гексагональные.
Простые кристаллические решетки:
1 – простая кубическая решетка;
2 – гранецентрированная кубическая решетка;
3 – объемноцентрированная кубическая решетка;
4 – гексагональная решетка.В простой кубической решетке частицы располагаются в вершинах куба. В гранецентрированной решетке частицы располагаются не только в вершинах куба, но и в центрах каждой его грани. Изображенная на рис. 4 решетка поваренной соли состоит из двух вложенных друг в друга гранецентрированных решеток, состоящих из Na + и Cl – .
В объемноцентрированной кубической решетке дополнительная частица располагается в центре каждой элементарной кубической ячейки.
В настоящее время большой интерес вызывает новый класс веществ – жидкие кристаллы.
Это почти прозрачные вещества, проявляющие одновременно свойства жидкости и кристалла. Жидкие кристаллы открыл в 1888 г. австрийский ботаник Ф. РЕЙНИТЦЕР. Он обратил внимание, что у кристаллов холестерилбензоата и холестерилацетата было две точки плавления и, соответственно, два разных жидких состояния — мутное (от 145 °С до 179 °С) и прозрачное (выше 179 °С).
Жидкие кристаллы находят широкое практическое применение. Многие вещества в жидкокристаллическом состоянии обладают весьма ценным качеством: некоторые их свойства резко изменяются при незначительном изменении внешних условий (температура, длина волны облучаемого света, электрическое и магнитное поля и т. д.).
Оптическую ось в жидких кристаллах можно легко ориентировать электрическим полем. Этот эффект используется при построении жидкокристаллических индикаторов и экранов. На основе жидких кристаллов разработан преобразователь инфракрасного изображения в видимое, применяемый в медицине, военном деле и других отраслях. Некоторые жидкие кристаллы весьма чувствительны к присутствию паров различных химических веществ: при наличии в воздухе ничтожно малой концентрации этих веществ структура жидкого кристалла меняется, что сопровождается изменением его цвета.
Молекулы жидких кристаллов не образуют кристаллической решетки, но ввиду своей формы (плоские, нитевидные) могут выстраиваться при незначительном воздействии в определенном порядке. Структура при этом приобретает свойства слоистых или нитевидных кристаллов. Упорядоченное расположение молекул в жидких кристаллах наблюдается лишь по одному направлению.
Структура, соответствующая жидким кристаллам, возникает в органических веществах, молекулы которых имеют нитевидную вытянутую форму или же форму плоских пластин. Например, растворенное в воде мыло образует жидкие кристаллы. Молекула мыла имеет форму палочки.
Тот конец молекулы, который имеет отрицательный заряд, тяготеет к молекулам воды, это является причиной упорядоченной ориентации молекул мыла по отношению к воде. Мыльный раствор (в воде) состоит из большого числа двойных слоев молекул мыла, разделенных слоем воды. Двойные слои, образующие жидкий кристалл, обладают большой подвижностью, что определяет моющие свойства мыла. Частички грязи и очищаемая поверхность покрываются слоями жидких кристаллов, легко скользящих один относительно другого. При небольшом механическом воздействии частички грязи, обволакиваемые «шубой» жидких кристаллов легко переходят в раствор и уносятся вместе с водой.
Жидкие кристаллы обнаруживаются в важнейших функциональных участках клетки живых организмов. Распространенность жидкокристаллического состояния в живых тканях обусловлена его высокой чувствительностью к окружающей среде, гибкостью структуры и достаточной устойчивостью к внешним воздействиям. Для обмена веществ с окружающей средой (основная особенность живой клетки) жидкие кристаллы являются идеальными образованиями, так как они могут растворять многие вещества, не изменяя своей жидкокристаллической структуры, легко обмениваться молекулами. При соответствующих условиях жидкие кристаллы могут набухать, а затем опять сжиматься, не теряя жидкокристаллического строения, в мышечных волокнах они могут растягиваться и сжиматься, не разрушаясь. Значительная прочность жидкокристаллических волокон необходима для образования опорных тканей.
Механические свойства твердых тел.
В твердых телах – аморфных и кристаллических – частицы (молекулы, атомы, ионы) совершают тепловые колебания около положений равновесия, в которых энергия их взаимодействия минимальна. При увеличении расстояния между частицами возникают силы притяжения, а при уменьшении – силы отталкивания. Силы взаимодействия между частицами обусловливают механические свойства твердых тел.
Деформация твердого тела является результатом изменения под действием внешних сил взаимного расположения частиц, из которых состоит тело, и расстояний между ними.
Деформация –изменение формы или объема тела.
Существует четыре основных вида деформаций твердых тел: растяжение (сжатие), сдвиг, кручение, изгиб.
При любом виде деформации в твердом теле происходит смещение частиц, из которых оно состоит, относительно друг друга. Это вызывает возникновение в материале сил, препятствующих деформации – сил упругости.Они стремятся восстановить прежнюю форму и объем тела.
Свойство деформированных тел принимать свою первоначальную форму и свой объем после прекращения действия внешних сил называется упругостью.
Упругая деформация –деформация, которая полностью исчезает после снятия внешних нагрузок (деформирующих факторов).
Пластическая деформация – деформация тела, которая не исчезает после снятия внешних нагрузок на тело.
Простейшим видом деформации является деформация растяжения или сжатия.
1 – деформация растяжения; 2 – деформация сдвига
Ее можно характеризовать абсолютным удлинениемΔl, возникающим под действием внешней силы F . Связь между Δl и F зависит не только от механических свойств вещества, но и от геометрических размеров тела (его толщины и длины).
Отношение абсолютного удлинения Δl к первоначальной длине lобразца называется относительным удлинением или относительной деформацией ε:
При растяжении ε > 0, при сжатии ε < 0.
Если принять направление внешней силы, стремящейся удлинить образец, за положительное, то F > 0 при деформации растяжения и F < 0 – при сжатии.
Отношение модуля внешней силы F к площади S сечения тела называется механическим напряжением σ:
За единицу механического напряжения в СИ принят паскаль (Па). Механическое напряжение измеряется в единицах давления. Оно характеризует действие внутренних сил в деформированном твердом теле.
Связь между упругими деформациями и внутренними силами в материале впервые была установлена английским ученым Р. Гуком.
Закон Гука:механическое напряжение в упруго деформированном теле прямо пропорционально относительной деформации этого тела.
k –коэффициент упругости (модуль упругости), характеризующий упругие свойства материала – зависимость механического напряжения от рода материала и от внешних условий.
Другая форма записи закона Гука: ε = σ/Е
Коэффициент E в этом соотношении называется модулем Юнга –величина, обратная коэффициенту упругости. Е = 1/k
Зависимость между ε и σявляется одной из важнейших характеристик механических свойств твердых тел. Графическое изображение зависимости между ε и σназывается диаграммой растяжения.
По оси абсцисс откладывается относительное удлинение ε, а по оси ординат – механическое напряжение σ.
Типичный пример диаграммы растяжения для металлов (таких как медь или мягкое железо) представлен на рисунке:
Типичная диаграмма растяжения для пластичного материала.
Голубая полоса – область упругих деформаций.
Участок OA на диаграмме – упругая деформация.
При малых деформациях (обычно существенно меньших 1 %) связь между σ и ε линейная. Максимальное значение σ = σпр, при котором сохраняется линейная связь между σ и ε, называется пределом пропорциональности(точка A).
На линейном участке выполняется закон Гука: ε = σ/Е
Участок AB — еще упругая деформация.При дальнейшем увеличении напряжения связь между σ и ε становится нелинейной, однако при снятии напряжения деформация практически полностью исчезает, то есть восстанавливаются размеры тела. Максимальное напряжение на этом участке σупр называется пределом упругости.
Если σ > σупр, образец после снятия напряжения уже не восстанавливает свои первоначальные размеры и у тела сохраняется остаточная деформация εост.
Участки BC, CD и DE – пластическая деформация.
На участке BC деформация происходит почти без увеличения напряжения. Это явление называется текучестью материала.
В точке D достигается наибольшее напряжение σmax, которое способен выдержать материал без разрушения — предел прочности.
В точке E происходит разрушение материала.
Для расчета различных конструкция необходимо знать механические свойства твердых тел.
Прочность –способность материала выдерживать нагрузки без разрушения.
У многих материалов предел прочности значительно больше предела упругости. Такие материалы называют вязкими. К ним относятся медь, цинк, железо.
Материалы, у которых отсутствует область упругих деформаций, называют пластическими. К ним относят воск, глину, пластилин.
В технике материалы различают по твердости.Из двух материалов более твердым считается тот, который оставляет царапины на поверхности другого. Из природных материалов наибольшей твердостью отличается алмаз.
Материалы, у которых разрушение происходит при небольших деформациях (лишь незначительно превышающих область упругих деформаций) называются хрупкими (стекло, фарфор, чугун).
Источник: studopedia.ru