Твердыми являются кристаллические и аморфные тела. Кристалл — так в древности называли лед. А потом стали называть кристаллом кварц и считая эти минералы окаменевшим льдом. Кристаллы бывают природными и Они используются в ювелирной промышленности, оптике, радиотехнике и электронике, в качестве опор для элементов в сверхточных приборах, как сверхтвердый абразивный материал.

Кристаллические тела характеризуются твердостью, имеют строго закономерное положение в пространстве молекул, ионов или атомов, в результате чего образуется трехмерная периодическая кристаллическая решетка (структура). Внешне это выражается определенной симметрией формы твердого тела и его определенными физическими свойствами. Во внешней форме кристаллические тела отражают симметрию, свойственную внутренней "упаковке" частиц. Это определяет равенство углов между гранями всех кристаллов, состоящих из одного и того же вещества.

В них равными будут и расстояния от центра до центра между соседствующими атомами (если они расположены на одной прямой, то это расстояние будет одинаковым на всей протяженности линии). Но для атомов, лежащих на прямой с другим направлением, расстояние между центрами атомов будет уже иным. Этим обстоятельством объясняется анизотропия. Анизотропность - главное, чем отличаются кристаллические тела от аморфных.

Более 90% твердых тел можно отнести к кристаллам. В природе они существуют в виде монокристаллов и поликристаллов. Монокристаллы — одиночные, грани которых представлены правильными многоугольниками; для них характерно наличие непрерывной кристаллической решетки и анизотропии физических свойств.

Поликристаллы — тела, состоящие из множества мелких кристаллов, "сросшихся" между собой несколько хаотично. Поликристаллами являются металлы, сахар, камни, песок. В таких телах (например, фрагмент металла) анизотропия обычно не проявляется из-за беспорядочного расположения элементов, хотя отдельно взятому кристаллу этого тела свойственна анизотропия.

Другие свойства кристаллических тел: строго определенная температура (наличие критических точек), прочность, упругость, электропроводность, магнитопроводность, теплопроводность.

Аморфные - не имеющие формы. Так дословно переводится это слово с греческого. Аморфные тела созданы природой. Например, янтарь, воск, К созданию искусственных аморфных тел причастен человек - стекло и смолы (искусственные), парафин, пластмассы (полимеры), канифоль, нафталин, вар. не имеют вследствие хаотичного расположения молекул (атомов, ионов) в структуре тела. Поэтому для какого-либо аморфного тела изотропны - одинаковы во всех направлениях. Для аморфных тел не существует критической точки температуры плавления, они постепенно размягчаются при нагревании и переходят в вязкие жидкости. Аморфным телам отведено промежуточное (переходное) положение между жидкостями и кристаллическими телами: при низких температурах они твердеют и становятся упругими, кроме того, могут раскалываться при ударе на бесформенные куски. При высоких температурах эти же элементы проявляют пластичность, становясь вязкими жидкостями.

Теперь вы знаете, что такое кристаллические тела!

До сих пор мы рассматривали перемещение тел в зависимости от времени без выяснения причин, вызывающих эти перемещения. Законы динамики устанавливают связь между движением тел и причинами, которые вызвали или изменили то или иное движение.

Рассмотрим поступательное движение материальной точки, для этого введем динамические характеристики, с помощью которых будем описывать такое движение. К таким характеристикам относятся понятие силы, массы, импульса . Начнем рассмотрение с движений тел в системах отсчета, которые называются инерциальными , и определение которых будет дано позднее.

1. Движение любого тела в инерциальной системе отсчета вызывается или изменяется только при взаимодействии с другими телами. Для описания взаимодействия между телами вводится понятие силы, которая дает количественную меру этого взаимодействия.

Физическая природа взаимодействия может быть различной, существуют гравитационные, электрические, магнитные и другие взаимодействия (см. Таблицу 1). В механике физическая природа сил несущественна, вопрос об их происхождении не выясняется. Но для всех видов взаимодействий их количественная мера должна быть выбрана единым образом. Измерять силы различной природы надо с помощью одних и тех же эталонов и единиц измерений. Законы механики универсальны , т.е. они описывают движение тел под действием силы любой природы. Для взаимодействий, которые рассматриваются в механике, сила может быть определена следующим образом.

Силой называется векторная величина F , являющаяся мерой механического воздействия одного тела на другое.

Механическое взаимодействие может осуществляться как между непосредственно контактирующими телами (сила трения, сила реакции опоры и т.д.), так и между удаленными телами.

Особая форма материи, связывающая частицы вещества в единые системы и передающая с конечной скоростью действие одних частиц на другие, называется физическим полем, или просто полем .

Взаимодействия между удаленными телами осуществляется посредством гравитационных (сила тяжести) или электромагнитных полей.

Механическое действие силы может вызвать ускорение тела или его деформацию. Сила - результат взаимодействия двух тел . Для правильного определения сил, действующих на тело, можно воспользоваться литературой , где приведены многочисленные примеры.

Сила F - вектор - полностью определена, если заданы ее модуль (величина), направление в пространстве и точка приложения. Прямая, вдоль которой направлен вектор F , называется линией действия силы.

Если говорить о силе, приложенной не к материальной точке, а к твердому телу и вызывающей его поступательное движение, то воздействие на тело не изменится при переносе точки действия силы вдоль линии ее действия.

Одновременное действие на материальную точку С нескольких сил F 1 ,F 2 ..... F n эквивалентно действию одной силы, равной их геометрической (векторной) сумме и называемой результирующей или равнодействующей силой (см. Рисунок 7):

F рез. = F 1 +F 2 + ..... +F n .

Рисунок 7 - Векторное сложение сил.

Силы, действующие на тело или систему тел, можно разделить на внешние и внутренние . Тела, не входящие в состав исследуемой механической системы, называются внешними и силы , действующие с их стороны, - внешние . Внутренние силы - силы, действующие на точку или тело со стороны точек или тел, входящих в рассматриваемую систему.

Система, на которую не действуют внешние силы , называется изолированной или замкнутой.

2. Основополагающим понятием в динамике является понятие массы m , о котором в кинематике даже не упоминалось, не было необходимости. Любой материальный объект (тела, элементарные частицы, поля) обладает массой. Масса выступает как многосторонняя характеристика тела.

Она определяет его гравитационные свойства, т.е. силы, с которыми тело притягивается к другим телам, в частности, к Земле.

Масса характеризует инерционные свойства тела, т.е. способность тела сохранить состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, или изменить скорость.

Масса тела m определяет количество вещества в данном теле и равна произведению плотности вещества ρ на объем V тела:

Масса тела вместе с его скоростью определяет импульс и кинетическую энергию тела.

В классической механике для понятия массы характерно следующее:

• m = const, она не зависит от состояния движения тела,
• масса - величина аддитивная , т.е. масса системы равна арифметической сумме масс тел, входящих в систему,
• масса замкнутой системы остается неизменной при любых процессах, происходящих внутри системы (закон сохранения массы) .

Итак, для массы можно дать следующее определение.

Масса - мера инертности тела или мера гравитационного взаимодействия .

3. Импульсом материальной точки называется векторная величина, равная произведению ее массы на ее скорость P = mv .

Импульсом системы материальных точек называется вектор, равный геометрической (векторной) сумме импульсов всех материальных точек системы:

P = P 1 +P 2 +.....+ P n = P i

Используя понятие массы, импульс системы равен произведению массы всей системы на скорость ее центра масс P = mv ц.

Импульс P - вектор, по направлению совпадающий с направлением скорости.

Импульс - одна из фундаментальных характеристик физической системы. И масса, и скорость были определены ранее, но только импульс обладает уникальным свойством. Для него сформулирован закон сохранения импульса , который является универсальным законом. Он выполняется и в микромире (на уровне элементарных частиц, атомов и молекул), и в макромире (мир вокруг нас), и в мегамире (на уровне планет, Вселенной, Галактики). До сих пор не открыто явлений, в которых бы нарушался закон сохранения импульса.

Твердые тела разделяют на аморфные и кристаллические, в зависимости от их молекулярной структуры и физических свойств.

В отличие от кристаллов молекулы и атомы аморфных твердых тел не формируют решетку, а расстояние между ними колеблется в пределах некоторого интервала возможных расстояний. Иначе говоря, у кристаллов атомы или молекулы взаимно расположены таким образом, что формируемая структура может повторяться во всем объеме тела, что называется дальним порядком. В случае же с аморфными телами - сохраняется структура молекул лишь относительно каждой одной такой молекулы, наблюдается закономерность в распределении только соседних молекул - ближний порядок. Наглядный пример представлен ниже.

К аморфным телам относится стекло и другие вещества в стеклообразном состоянии, канифоль, смолы, янтарь, сургуч, битум, воск, а также органические вещества: каучук, кожа, целлюлоза, полиэтилен и др.

Свойства аморфных тел

Особенность строения аморфных твердых тел придает им индивидуальные свойства:

1. Слабо выраженная текучесть - одно из наиболее известных свойств таких тел. Примером будут потеки стекла, которое долгое время стоит в оконной раме.
2. Аморфные твердые тела не обладают определенной температурой плавления, так как переход в состояние жидкости во время нагрева происходит постепенно, посредством размягчения тела. По этой причине к таким телам применяют так называемый температурный интервал размягчения.

1. В силу своей структуры такие тела являются изотропными, то есть их физические свойства не зависят от выбора направления.
2. Вещество в аморфном состоянии обладает большей внутренней энергией, нежели в кристаллическом. По этой причине аморфные тела способны самостоятельно переходить в кристаллическое состояние. Данное явление можно наблюдать как результат помутнения стекол с течением времени.

Стеклообразное состояние

В природе существуют жидкости, которые практически невозможно перевести в кристаллическое состояние посредством охлаждения, так как сложность молекул этих веществ не позволяет им образовать регулярную кристаллическую решетку. К таким жидкостям относятся молекулы некоторых органических полимеров.

Однако, при помощи глубокого и быстрого охлаждения, практически любое вещество способно перейти в стеклообразное состояние. Это такое аморфное состояние, которое не имеет явной кристаллической решетки, но может частично кристаллизироваться, в масштабах малых кластеров. Данное состояние вещества является метастабильным, то есть сохраняется при некоторых требуемых термодинамических условиях.

При помощи технологии охлаждения с определенной скоростью вещество не будет успевать кристаллизоваться, и преобразуется в стекло. То есть чем выше скорость охлаждения материала, тем меньше вероятность его кристаллизации. Так, например, для изготовления металлических стекол потребуется скорость охлаждения, равная 100 000 - 1 000 000 Кельвин в секунду.

В природе вещество существует в стеклообразном состоянии возникает из жидкой вулканической магмы, которая, взаимодействуя с холодной водой или воздухом, быстро охлаждается. В данном случае вещество зовется вулканическим стеклом. Также можно наблюдать стекло, образованная в результате плавления падающего метеорита, взаимодействующего с атмосферой - метеоритное стекло или молдавит.

Твёрдое тело - это агрегатное состояние вещества, характеризующееся стабильностью формы и объема. По своему внутреннему строению твердые тела разделяются на кристаллические и аморфные .

Кристаллические тела

Кристаллы - это твёрдые тела, частицы которых располагаются в строгом порядке, образуя пространственные периодически повторяющиеся структуры.

Точнее, частицы колеблются около определенных положений равновесия. Если их мысленно соединить прямыми линиями, то получается своего рода «скелет» кристалла. Такое изображение кристалла называется кристаллической решеткой .

Чаще всего кристаллическая решетка строится из ионов (положительно и отрицательно заряженных атомов), которые входят в состав молекулы данного вещества. Например, решетка поваренной соли содержит ионы Na+ и Cl– (рис. 1). Такие кристаллы называются ионными .

Теоретически доказано, что всего может существовать 230 различных пространственных кристаллических структур. Большинство из них (но не все) обнаружены в природе или созданы искусственно. На рис. 2 приведены примеры простых кристаллических решеток: 1 – простая кубическая решетка; 2 – гранецентрированная кубическая решетка; 3 – объемноцентрированная кубическая решетка; 4 – гексагональная решетка.

Монокристаллы и поликристаллы

Если периодически повторяющаяся структура (кристаллическая решетка) распространяется по всему объему тела, то образуется «одиночный кристалл» - монокристалл . Монокристаллы имеют форму правильных симметричных многоугольников. Но они редко достигают размеров в несколько сантиметров. Примерами монокристаллов могут служить драгоценные камни, исландский шпат (рис. 3), топаз (рис. 4).

В природе чаще встречаются беспорядочно сросшиеся между собой монокристаллы. Такие твердые тела называются поликристаллы . Примерами поликристаллов являются: каменная соль (рис. 5), кварц (рис. 6), сахар, лед, железо, медь.

Анизотропия

Упорядоченность в строении кристалла приводит к анизотропии , т.е. зависимости физических свойств от выбранного направления. Оно объясняется различием в плотности расположения частиц в кристаллической решетке по разным направлениям. На рисунке 7 условно изображено расположение атомов в одной из плоскостей монокристалла. Через узлы этой плоской решетки проведены различно ориентированные параллельные прямые (1, 2, 3, 4 ). Видно, что на единицу длины прямых приходится не одинаковое количество атомов. А многие механические свойства кристалла зависят от плотности размещения образующих его частиц.

Прежде всего, бросается в глаза различная механическая прочность кристаллов по разным направлениям. Например, кусок слюды легко расслаивается в одном из направлений на тонкие пластинки, но разорвать его в направлении, перпендикулярном пластинкам, гораздо труднее. Так же легко расслаивается в одном направлении кристалл графита. Когда вы пишете карандашом, такое расслоение происходит непрерывно и тонкие слои графита остаются на бумаге. Многие кристаллы по-разному проводят теплоту и электрический ток в различных направлениях. От направления зависят и оптические свойства кристаллов. Так, кристалл алмаза по-разному преломляет свет в зависимости от направления падающих на него лучей.

Монокристаллы обладают анизотропией, поликристаллы изотропны.

Температура плавления

Кристаллические тела имеют определенную температуру плавления t пл, не изменяющуюся в процессе плавления при постоянном давлении (рис. 8, кривая 1 ).

Зная температуру плавления и температуру тела, всегда можно определить в каком агрегатном состоянии будет находиться кристаллическое тело: если температура тела больше температуры плавления, то тело в жидком состоянии, если меньше – в твердом.

Полиморфизм

Практически все вещества в твердом состоянии могут существовать в двух или более кристаллических разновидностях (модификациях), отличающихся физическими свойствами. Это явление называется полиморфизмом . Так, у углерода две разновидности - алмаз и графит: графит отличается мягкостью, алмаз тверд, графит - проводник, алмаз - диэлектрик. Известны 4 модификации железа, 9 модификаций серы и др. Каждая модификация устойчива в определенном интервале температур и давлений.

См. так же

Аморфные тела

У аморфных тел нет строгого порядка в расположении атомов. Только ближайшие атомы - соседи располагаются в некотором порядке. Но строгой направляемости по всем направлениям одного и того же элемента структуры, которая характерна для кристаллов в аморфных телах, нет. На рисунке 9 изображена плоская схема расположения молекул кварца – кристаллического тела (а), и кварцевого стекла - аморфного тела (б).

Свойства аморфных тел

Все аморфные тела изотропные , т.е. их физические свойства одинаковы по всем направлениям. К аморфным телам относятся стекло, смола, канифоль, сахарный леденец и др.

При внешних воздействиях аморфные тела обнаруживают одновременно упругие свойства, подобно твёрдым телам, и текучесть , подобно жидкости. Аморфное тело обладает слабо выраженной текучестью. Так, если воронку наполнить кусочками воска, то через некоторое время (различное для разных температур) кусочки воска будут "расплываться". Воск примет форму воронки и начнет "вытекать" из нее.

Аморфные тела при низких температурах по своим свойствам напоминают твёрдые тела. Текучестью они почти не обладают, но по мере повышения температуры постепенно размягчаются и их свойства всё более и более приближаются к свойствам жидкостей. Это происходит потому, что с ростом температуры постепенно учащаются перескоки атомов из одного положения в другое. Определённой температуры плавления у аморфных тел, в отличие от кристаллических, нет. Вещество в аморфном состоянии при нагревании постепенно размягчается и переходит в жидкость (рис. 8, кривая 2). Вместо температуры плавления приходится говорить о температурном интервале размягчения .

Жидкие кристаллы

Жидкие кристаллы - вещества, обладающие одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия).

По структуре они представляют собой жидкости, похожие на желе, состоящие из молекул вытянутой формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости (рис. 10).

Жидкие кристаллы - это почти прозрачные субстанции, проявляющие одновременно свойства кристалла и жидкости. Их внешнее состояние при нагревании может изменяться от твердого до жидкокристаллического и полностью переходить в жидкую форму при дальнейшем повышении температуры.

• 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). Однако, учёные не обратили особого внимания на необычные свойства этих жидкостей. Долгое время физики и химики в принципе не признавали жидких кристаллов, потому что их существование разрушало теорию о трёх состояниях вещества: твёрдом, жидком и газообразном.

Применение жидких кристаллов

Одно из важных направлений использования жидких кристаллов - термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества, создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций. Например, жидкокристаллический индикатор на коже больного быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль.

С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары́ вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гамма- и ультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука.

Но самая многообещающая область применения жидкокристаллических веществ - информационная техника. В настоящее время цветные жидкокристаллические экраны используются в сотовых телефонах, мониторах и телевизорах. Они обладают малой толщиной, малой потребляемой мощностью, высоким разрешением и яркостью.

См. так же

Полимеры

По своим необычным свойствам из всей группы твердых тел выделяются полимеры - вещества, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся групп атомов (мономеров).

• πολύ- и μέρος - от греч. «много» и «часть».

Например, молекула полимеров образуется повторением группы СH 2:

CH 2 - CH 2 - CH 2 - CH 2 -

Число мономерных единиц в молекуле определяет относительную молекулярную массу полимера, которая, как правило, очень велика - десятки и сотни тысяч атомных единиц массы. Например, полиэтилен имеет относительную массу 35000 а.е.м., каучук - 400000 а.е.м.

К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, каучук и другие органические вещества. Большое число полимеров получают синтетическим путём. Названия полимеров образуются из названия мономера с приставкой поли-: полиэтилен, полипропилен, поливинилацетат и т. п.

Человек давно использует природные полимерные материалы в своей жизни. Например, кожа, меха, шерсть, шёлк, хлопок, используемые для изготовления одежды. На основе целлюлозе производят плёнки, волокна, лакокрасочные материалы и загустители. Развитие кино и фотографии оказалось возможным лишь благодаря появлению прозрачной плёнки из нитроцеллюлозы. Освоено производство тканей на основе полиэфирного волокна под названием лавсан или полиэтилентерефталат. Полипропилен и нитрон -синтетические волокна, которые использует современный человек для одежды и производственной деятельности.

Особые механические свойства

• эластичность - способность к высоким обратимым деформациям при относительно небольшой нагрузке (каучуки);
• малая хрупкость стеклообразных и кристаллических полимеров (пластмассы, органическое стекло).

См. так же

Литература

1. Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - C. 184-185,186-187.
2. Жилко В.В. Физика: Учеб. пособие для 11-го кл. общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения / В.В. Жилко, А.В.Лавриненко, Л.Г. Маркович. - Мн.: Нар. асвета, 2002. - С. 265-269.

Часто твердыми называют тела, которые сохраняют свою форму и объем . Однако с физической точки зрения по этим признакам бывает трудно отличить твердое и жидкое состояния вещества.

Особым классом веществ, которые по внешним признакам также могут походить на твердые тела, являются полимеры.

Полимеры (от греческого polymeres – состоящий из многих частей, от poly – много и meros – доля, часть) – это соединения с высокой молекулярной массой, молекулы которых состоят из большого числа регулярно и нерегулярно повторяющихся одинаковых или различных звеньев.

К природным полимерам относятся натуральный каучук, целлюлоза, белки, природные смолы. Примером синтетических полимеров являются полистирол, полиэтилен, сложные полиэфиры.

Истинно же твердые тела – это кристаллы , одной из характерных особенностей которых является правильность их внешнего вида.

Приходится только удивляться совершенству формы снежинок и восхищаться их красотой.

Если насыщенный раствор гипосульфита – вещества, используемого в фотографии для закрепления изображений, на несколько дней оставить в открытой ванночке, то на ее дне образуются крупные кристаллы, также довольно правильной формы.

Правильную форму имеют и кристаллы поваренной соли, сахара.

Естественной формой кристаллов являются многогранники с плоскими гранями и постоянными для каждого вещества углами между ними.

Форма кристаллов различных веществ неодинакова. Но кристаллы одного и того же вещества могут быть различного цвета. Например, кристаллы кварца бывают бесцветными, золотистыми, розовыми, бледно-сиреневыми. В зависимости от цвета, им дают разные названия. Кристаллы кварца, например, могут называться горным хрусталем, дымчатым горным хрусталем, аметистом. С точки зрения ювелира многие кристаллы одного и того же вещества могут отличаться принципиальным образом. С точки зрения физика различия между ними вообще может не существовать, поскольку подавляющее количество свойств разноцветных кристаллов одного и того же вещества одинаково.

Физические свойства кристалла определяются не его цветом, а внутренним строением. Очень яркой иллюстрацией этого утверждения является различие многих свойств алмаза и графита, обладающих одинаковым химическим составом.

Одиночные кристаллы называются монокристаллами . Некоторые вещества, такие, например, как горный хрусталь, могут образовывать весьма большие монокристаллы, иногда очень правильной формы.

Особенностью многих монокристаллов является анизотропия – различие физических свойств в разных направлениях .

Анизотропия кристаллов тесно связана с их симметрией. Чем ниже симметрия кристалла, тем ярче выражена анизотропия.

Возьмем две пластинки, вырезанные из кристалла кварца в разных плоскостях. Капнем на пластинки воск и дадим ему застыть, после чего прикоснемся к образовавшимся восковым пятнам раскаленной иглой. По форме расплавившегося воска можно сделать вывод о том, что пластинка, вырезанная из кристалла в вертикальной плоскости, имеет разную теплопроводность в разных направлениях.

Если из большого куска льда вырезать два одинаковых бруска во взаимно перпендикулярных направлениях, положить их на две опоры и нагрузить, то бруски будут вести себя различным образом. Один брусок при увеличении нагрузки будет медленно прогибаться. Другой до некоторого значения нагрузки будет сохранять свою форму, а затем переломится.

Аналогичным образом можно говорить не только об анизотропии теплопроводности, прочности, но и других тепловых, механических, а также электрических, оптических свойств монокристаллов.

Большинство твердых тел имеет поликристаллическую структуру , то есть состоит из множества хаотичным образом расположенных кристаллов и анизотропией физических свойств не обладает.