Тверде́ ті́ло (англ. solid) — один з чотирьох основних агрегатних станів речовини, що відрізняється від інших агрегатних станів (рідини,газів, плазми) стабільністю форми і характером теплового руху атомів, що здійснюють малі коливання біля положень рівноваги..
![image](https://www.wikidata.uk-ua.nina.az/image/aHR0cHM6Ly93d3cud2lraWRhdGEudWstdWEubmluYS5hei9pbWFnZS9hSFIwY0hNNkx5OTFjR3h2WVdRdWQybHJhVzFsWkdsaExtOXlaeTkzYVd0cGNHVmthV0V2WTI5dGJXOXVjeTkwYUhWdFlpOWpMMk00TDBaalkxOXNZWFIwYVdObFh6UXVhbkJuTHpJeU1IQjRMVVpqWTE5c1lYUjBhV05sWHpRdWFuQm4uanBn.jpg)
Тверде тіло | |
Досліджується в | фізика твердого тіла і механіка деформівного твердого тіла |
---|---|
|
Загальний опис
За типом упорядкування атомів розрізняють кристалічний і аморфний стани речовини. Кристали характеризуються просторової періодичністю в розташуванні рівноважних положень атомів. У кристалах середні положення атомів чи молекул строго впорядковані. Кристалічні тіла зберігають не тільки ближній, а й дальній порядок. Природна форма кристалів ─ правильні багатогранники. Більшисть речовин у твердому стані має кристалічну структуру. В цьому легко переконатися якщо розколоти шматок речовини і розглянути злам. На зламі кристалічних речовин (наприклад, у цукру, солі, сірки, металів) добре помітні розташовані під різними кутами дрібні грані кристалів, що поблискують внаслідок різного відбиття ними світла. При розколюванні аморфних твердих речовин, наприклад, звичайного скла,пластмаси, шматків смоли, парафіну, і так далі, злам виявляється гладким і, на відміну від зламів кристалів, обмежений не плоскими, а овальними поверхнями.
Класифікація кристалічних тіл
За типом часток, що знаходяться у вузлах кристалічної ґрати, і за типом їх взаємодії, що переважають в цьому кристалі, розрізняють ґрати:
•Молекулярні •Атомні •Іонні •Металеві •Водневі
У молекулярних кристалах молекули пов'язані між собою молекулярними силами. В атомних кристалах атоми речовини пов'язані один з одним ковалентним зв'язком. У вузлах іонних ґрат по черзі розташовуються позитивно і негативно заряджені іони. Вони пов'язані один з одним силами електростатичного тяжіння. У вузлах металевих ґрат розташовуються атоми металу, в проміжках між якими рухаються загальні для цих атомів електрони. Нарешті, кристали з водневим зв'язком характеризуються поділом ядер між електронегативними атомами. Водневі зв'язки зустрічаються в багатьох органічних і неорганічних сполуках, вони входять в структуру льоду і води. Приклади водневих кристалів: H2O (лід), HF.
За типом зонної структуритверді кристалічні тіла класифікують на провідники, напівпровідники і діелектрики.
•Провідники ─ зона провідності і валентна зона перекриваються, таким чином електрон може вільно переміщатися між ними, отримавши будь-яку допустимо малу енергію. Таким чином, при додатку до твердого тіла різниці потенціалів, електрони зможуть вільно рухатися з точки з меншим потенціалом в точку з більшим, утворюючи електричний струм. До провідників відносять усі метали.
•Напівпровідники ─ зони не перекриваються і відстань між ними складає менше 4 еВ. Для того, щоб перевести електрон з валентної зони в зону провідності потрібно мати енергію меншу, ніж для діелектрика, тому чисті (власні, нелеговані) напівпровідники слабо пропускають струм.
•Діелектрики ─ зони не перекриваються і відстань між ними складає більше 4 еВ. Таким чином, для того, щоб перевести електрон з валентної зони в зону провідності потрібно мати значну енергію, тому діелектрики струм практично не проводять.
За магнітними властивостями тверді тіла діляться на діамагнетики, парамагнетики і тіла з впорядкованою магнітною структурою. Діамагнітні властивості, які слабо залежать від агрегатного стану або температури, зазвичай перекриваються парамагнітними, які є наслідком орієнтації магнітних моментів атомів і електронів провідності. За законом Кюрі парамагнітна сприйнятливість убуває обернено пропорційно до температури і при температурі 300 К зазвичай складає 10− 5кг. Парамагнетики переходять в феромагнетики, антиферомагнетики або феримагнетики при пониженні температури.
Історична довідка
Незважаючи на те, що тверді тіла (метали, мінерали) досліджувались давно, всебічне вивчення та систематизація інформації про їх властивості розпочалось з 17 століття. Починаючи з цього часу було відкрито низку емпіричних законів, що описували вплив на тверде тіло механічних сил, зміни температури, світла, електромагнітних полів і т. д. Були сформульовані:
- закон Гука (1678);
- закон Дюлонга — Пті (1819);
- закон Ома (1826);
- закон Відемана — Франца (1853) та ін.
Уже в першій половині XIX ст. були сформульовані основні положення теорії пружності, для якої характерним є уява про тверде тіло як про суцільне середовище.
Цілісне уявлення про кристалічну структуру твердих тіл, як сукупності атомів, впорядковане розміщення яких у просторі забезпечується силами взаємодії, було сформоване Огюстом Браве у 1848 році, хоча перші ідеї такого роду висловлювались у трактатах Ніколасом Стено (1669), Рене-Жюстом Аюї (1784), Ісааком Ньютоном у роботі «Математичні начала натуральної філософії» (1686), в якій розрахована швидкість звуку у ланцюжку пружно пов'язаних часток, Даніелем Бернуллі (1727), Оґюстеном-Луї Коші (1830) та іншими.
У 1912 році М. Лауе спостерігав дифракцію рентгенівських променів на кристалах, чим остаточно затвердив уявлення про кристалічну будову твердих тіл, як впорядковану дискретну структуру. У 1913 році В. Брегг встановив співвідношення, що пов'язує період кристалічної ґратки, довжину хвилі рентгенівського випромінювання з напрямами дифракційних максимумів (див. закон Брегга). На основі цього були розроблені методи експериментального визначення розташування атомів в кристалах й вимірювання міжатомних відстаней, що поклало початок рентгеноструктурному аналізу та іншим дифракційним методам дослідження структури твердих тіл. У 1927 році К. Дж. Девіссон спостерігав дифракцію електронів на кристалі. Згодом була виявлена дифракція нейтронів та інших часток.
Фазові переходи
![image](https://www.wikidata.uk-ua.nina.az/image/aHR0cHM6Ly93d3cud2lraWRhdGEudWstdWEubmluYS5hei9pbWFnZS9hSFIwY0hNNkx5OTFjR3h2WVdRdWQybHJhVzFsWkdsaExtOXlaeTkzYVd0cGNHVmthV0V2WTI5dGJXOXVjeTkwYUhWdFlpOHlMekk1TDFCb1lYTmxMV1JwWVdkZmNuVXVjM1puTHpNd01IQjRMVkJvWVhObExXUnBZV2RmY25VdWMzWm5MbkJ1Wnc9PS5wbmc=.png)
При підвищенні температури тверді тіла переходять в рідкий або газовий стан. Перехід твердого тіла в рідкий стан називається плавленням, а перехід в газовий стан, минаючи рідкий, - сублімацією. Це відбувається при такій температурі, коли зміщення частинок з положень рівноваги є сумірними з рівноважними відстанями у кристалічній решітці. Зворотний перехід до твердого тіла (тверднення) при зниженні температури для випадку кристалічного стану носить назву кристалізація, до аморфної фази — склування. Існують також фазові переходи між твердотільними фазами, при яких змінюється внутрішня структура твердих тіл, стаючи впорядкованою при зниженні температури. При атмосферному тиску і температурі Т → 0 К всі речовини в природі тверднуть. Виняток становить гелій, для кристалізації якого потрібний тиск 24 атм . Різниця між кристалічним і аморфним станами речовини особливо різко проявляється в їх відношенні до нагрівання. При постійному тиску і рівномірному нагріванні температура тіла зростає пропорційно кількості підведенної теплоти. При досягненні температури плавлення (кристалізації) температура тіла, перестає змінюватися, не дивлячись на те, що підведення теплоти до тіла триває. Одночасно починається процес плавлення. Після того, як вся речовина перетвориться в рідину, його температура знову почне зростати. Плавлення аморфних тіл протікає інакше. При рівномірному нагріванні температура тіла безперервно зростає. Перехід в рідкий стан у аморфних тіл відбувається в інтервалі температур. В аморфних тілах атоми коливаються навколо хаотично розташованих точок, у них відсутній дальній порядок, але є ближній порядок, при якому молекули розташовані узгоджено на відстані, порівнянному з їх розмірами, зберігається. Окремим випадком аморфного стану є склоподібний стан. Згідно з класичними уявленнями, стійким станом (з мінімумом потенційної енергії) твердого тіла є кристалічний. Аморфне тіло знаходиться в метастабільному стані і з плином часу має перейти в кристалічний стан, проте час кристалізації часто настільки великий, що метастабільність зовсім не проявляється. Зворотний мимовільний процес неможливий. Аморфне тіло можна розглядати як рідину з дуже великою (часто нескінченно великою) в'язкістю. Цей висновок підтверджує той факт, що багато аморфних тіл текучі. Наприклад, шматок смоли, покладений на плоску поверхню, в теплому приміщенні, за кілька тижнів розтікається, приймаючи форму диска.
Фізичні властивості
Під фізичними властивостями твердих тіл розуміється їх специфічна поведінка при впливі певних сил і полів. Існує три основних способи впливу на тверді тіла, відповідні трьом основним видам передачі енергії: роботи ─ передача впорядкованої) форми руху матерії (механічний рух), теплообмін─ передача невпорядкованої (хаотичної) форми руху матерії і передача енергії за допомогою електромагнітних хвиль. Відповідно виділяють три основних групи фізичних властивостей:
1. Механичні
2. Теплові
3. Електромагнітні
Механічні властивості зв'язують механічні напруження і деформації тіла, які можна поділити на пружні, міцнісні, реологічні й технологічні. Крім того, при впливі на тверді тіла рідин або газів виявляються їх гідравлічні і газодинамічні властивості.
До термічних (теплових) належать властивості, які виявляються під впливом теплових полів.
До електромагнітних властивостей умовно можна віднести радіаційні, що проявляються при впливі на тверде тіло потоків мікрочастинок або електромагнітних хвиль значної жорсткості (рентгенівських, гамма-променів тощо).
Механічні властивості
Загалом зберігаючи форму, за відсутності чи незначного силового впливу, тверді тіла здатні деформуватися під впливом зовнішніх сил. Деформацією твердого тіла називають зміну його розмірів і об'єму, що переважно супроводжується зміною форми тіла. В деяких випадках (всебічні стиснення або розтягування) форма тіла зберігається.
В залежності від величини прикладеної сили деформація може бути пружною, пластичною або руйнівною. При пружній деформації тіло повертає собі початкову форму і розміри після зняття прикладених сил. Відклик пружного твердого тіла на прикладене зусилля характеризується модулями пружності на основі закону Гука. Відмінною рисою твердого тіла в порівнянні з рідинами та газами є те, що воно чинить опір не тільки розтягу та стисканню, а також зсуву, згину й крученню.
При пластичній деформації початкова форма тіла не зберігається. Характер деформації залежить також від часу, впродовж якого діє зовнішня сила. Тверде тіло може деформуватися пружно при короткочасній дії, але пластично, якщо зовнішні сили діють тривалий час. Така поведінка називається повзучістю. Однією з деформаційних характеристик тіла є його твердість — здатність опиратися проникненню в нього інших тіл.
Кожне тверде тіло має властивий йому поріг деформації, після якої наступає руйнування. Властивість твердого тіла опиратися руйнуванню характеризується міцністю. При руйнуванні в твердому тілі з'являються і розповсюджуються тріщини, які врешті-решт призводять до розлому.
До механічних властивостей твердого тіла належить також його здатність проводити звук, який є хвилею, що переносить локальну деформацію з одного місця в інше. На відміну від рідин та газів у твердому тілі можуть розповсюджуватися не лише поздовжні звукові хвилі, а й поперечні, що зв'язано з опором твердого тіла деформації зсуву. Швидкість звуку в твердих тілах загалом вища, ніж у газах, зокрема в повітрі, оскільки міжатомна взаємодія набагато сильніша. Швидкість звуку в кристалічних твердих тілах характеризується анізотропією, тобто залежністю від напрямку поширення.
Теплові властивості
Здатність до фазових переходів
Найважливійшою тепловою властивістю твердих тіл є їх здатність при підвіщенні температури до фазових переходів, таких як плавлення (перехід у рідкий стан) і, для деяких речовин (лід, йод, тверда вуглекислота, тощо), —сублімація (безпосередній перехід у газовий стан). Фізична величина, що характерізує плавлення кристалічних тіл є температура плавлення. Іншою важливою характеристикою плавлення є теплота плавлення або прихована теплота плавлення. Оборотний процес плавленню має назву кристалізація, а сублімації ─ десублімація Температура і теплота кристалізації дорівнюють, відповідно, температурі і теплоті плавлення. На відміну від кристалів, у аморфних твердих тіл перехід до рідкого стану з підвищенням температури відбувається поступово. Його характеризують температурою склування, тобто температурою, вище якої матеріал майже повністю втрачає пружність і стає пластичним.
Властивість теплового розширення
Зміна температури викликає деформацію твердого тіла, здебільшого підвищення температури призводить до розширення. Кількісно вона характеризується коефіцієнтом теплового розширення. Розглядають лінійне або об'ємне теплове розширення.
Коефіцієнт лінійного теплового розширення визначається як відношення зміни лінійних розмірів матеріалу до зміни температури. Отже, це відносна зміна довжини на градус зміни температури:
де — лінійний розмір (наприклад, довжина) і
— зміна лінійного розміру на одиницю зміни температури.
Об'ємний коефіцієнт теплового розширення може бути записаний
де — об'єм матеріалу, і
інтенсивність зміни об'єму із зміною температури.
Для ізотропних матеріалів, коефіцієнт лінійного теплового розширення становить приблизно одну третину від об'ємного коефіцієнта теплового розширення.
Матеріали з анізотропною структурою, такі як кристали чи композити, зазвичай, мають різні коефіцієнти лінійного розширення у різних напрямках. У результаті, загальне значення об'ємного розширення розподіляється нерівномірно серед трьох осей. У таких випадках для розрахунків теплового розширення слід вводити тензор коефіцієнта теплового розширення, що може містити до шести незалежних компонентів.
Теплопровідність
Явище теплопровідності полягає в тому, що кінетична енергія атомів й молекул, яка визначає температуру тіла, передається атомам і молекулам у тих областях тіла, де температура нижча.
При теплопровідності величина потоку тепла визначається різницею температури між різними областями тіла. Кількісно теплопровідність характеризується коефіцієнтом теплопровідності , який входить в рівняння (закон Фур'є)
.
Тут — тепловий потік, T — температура,
— оператор Гамільтона набла, яким позначається градієнт.
Коефіцієнт теплопровідності вимірюється у Вт/(м•K) або Вт•м−1•K−1.
Електричні, магнітні та оптичні властивості
Однією з головних електричних властивостей твердих тіл є електропровідність. (Оборотна властивість є електричний опір). В залежності від величини питомого опору тверді тіла поділяються на провідники та діелектрики, проміжне положення між якими займають напівпровідники. Напівпровідники мають малу електропровідність, однак для них характерне її зростання з температурою. Електричні властивості твердих тіл пов'язані з їхньою . Для діелектриків властива щілина в енергетичному спектрі електронів, яку у випадку кристалічних твердих тіл називають забороненою зоною. Це область значень енергії, яку електрони в твердому тілі не можуть мати. В діелектриків усі електронні стани, нижче від щілини заповнені, і завдяки принципу Паулі електрони не можуть переходити із одного стану в інший, чим зумовлена відсутність провідності. Провідність напівпровідників дуже сильно залежить від домішок — акцепторів та донорів.
Існує певний клас твердих тіл, для яких характерна іонна провідність. Ці матеріали називають суперіоніками. Здебільшого це іонні кристали, в яких іони одного сорту можуть доволі вільно рухатися між непорушною ґраткою іонів іншого сорту.
При низьких температурах для деяких твердих тіл властива надпровідність — здатність проводити електричний струм без опору.
Існує клас твердих тіл, які можуть мати спонтанну поляризацію — піроелектрики. Якщо ця властивість характерна тільки для однієї з фаз, що існує в певному проміжку температур, то такі матеріали називаються сегнетоелектриками. Для п'єзоелектриків характерний сильний зв'язок між поляризацією і механічною деформацією.
За магнітними властивостями тверді тіла діляться на два класи: слабомагнітні і сильномагнітні. До слабомагнітним відносяться діамагнетики і парамагнетики, до сильномагнітним — феромагнетики. Феромагнетикам властиве існування внутрішнього магнітного поля, яке в багато разів перевищує зовнішнє поле, що стало "поштовхом" для його наведення.
Оптичні властивості твердих тіл дуже різноманітні. Метали здебільшого мають високий коефіцієнт відбиття світла у видимій області спектру, багато діелектриків прозорі, як, наприклад, скло. Часто колір того чи іншого твердого тіла зумовлений поглинанням світла домішками. Для напівпровідників та діелектриків характерна фотопровідність — збільшення електропровідності при освітленні.
Ідеалізації твердого тіла у науках
Тверді тіла, що зустрічаються у природі, характеризуються нескінченною множиною різноманітних властивостей, яка постійно поповнюється.
У залежності від поставлених перед певною наукою завдань є важливими лише окремі властивості твердого тіла, інші — несуттєві. Наприклад, при дослідженні міцності сталі її магнітні властивості практично ролі не відіграють.
Для простоти вивчення реальне тіло заміняють ідеальним, виділяючи лише найважливіші властивості для випадку, що розглядається. Такий підхід, що практикується багатьма науками, називається абстрагуванням. Після виділення ідеалізованого тіла з певним переліком суттєвих властивостей, будується теорія. Достовірність такої теорії залежить від того наскільки вдало прийнята ідеалізація відображає суттєві характеристики об'єкту. Оцінку цьому можна дати при порівнянні результатів досліджень, отриманих теоретично на основі ідеалізованої моделі та експериментально.
У теоретичній механіці
У теоретичній механіці ідеалізованою схемою реального твердого тіла є абсолютно тверде тіло, тобто таке, у якому при будь-яких обставинах відстані між довільними точками є сталими — не змінюються ні розміри, ні форма тіла.
У теорії пружності
У теорії пружності та її прикладному застосуванню опорі матеріалів також розглядаються моделі, котрі враховують і абсолютизують окремі властивості твердого тіла. До цих властивостей відносяться: деформівність, однорідність, суцільність, ізотропність. Прийняття умов однорідності і суцільності при малих деформаціях дозволяє застосувати методи аналізу нескінченно малих величин, що суттєво спрощує побудову теорії опору матеріалів.
Вважається також, що залежність між напруженнями і деформаціями описуються є лінійною (див. Закон Гука).
У теоріях пластичності
У теоріях пластичності моделі твердого тіла базуються на ідеалізації властивості деформаційного зміцнення або/та властивості плинності твердих тіл у напружено-деформованому стані.
У математиці
У математиці (геометрії) об'єктом розгляду є уявне тверде тіло, в якому зберігаються лише форма і розміри при повному абстрагуванні від усіх інших властивостей. На відміну від реальних предметів геометричні тіла, як і всякі геометричні фігури, є уявними об'єктами.
У хроматографії
Порувате тверде тіло з адсорбційними властивостями, які можуть бути використані для хроматографічного розділення.
Див. також
Примітки
- Стрелецкий Алексей Владимирович, Наймушина Дарья Анатольевна. Твёрдое тело. Роснано. Архів оригіналу за 31 травня 2012. Процитовано 8 березня 2012.
- (Большая советская энциклопедия) : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — Москва : Советская энциклопедия, 1969—1978.
- Глинка Н.Л., 2003.
- Даниэльс Ф., Олберти Р., 1978.
- Коровин и др., 1990.
- Савельев И.В., 1970, с. 494—495.
- Селезнёв Ю.А., 1969, с. 352 — 353.
Джерела
- Глинка Н.Л. Общая химия. — 30. — М. : Интеграл- Пресс, 2003. — 728 с. — .
- Даниэльс Ф., Олберти Р. Физическая химия. — М. : Мир, 1978. — 648 с.
- Коровин и др. Курс общей химии. — 2. — М. : «Высшая школа», 1990. — 446 с. — .
- Савельев И.В. Курс физики. — М. : «Наука», 1970. — Т. 1. — 496 с. — :5-02-014430-4.
- Селезнёв Ю.А. Основы элементарной физики. — 3. — М. : «Наука», 1969. — 496 с.
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Tverde ti lo angl solid odin z chotiroh osnovnih agregatnih staniv rechovini sho vidriznyayetsya vid inshih agregatnih staniv ridini gaziv plazmi stabilnistyu formi i harakterom teplovogo ruhu atomiv sho zdijsnyuyut mali kolivannya bilya polozhen rivnovagi Model budovi kristalichnogo tverdogo tilaTverde tiloDoslidzhuyetsya vfizika tverdogo tila i mehanika deformivnogo tverdogo tila Tverde tilo u VikishovishiZagalnij opisRoztashuvannya atomiv u amorfnomu skli i kristalichnomu kvarci Za tipom uporyadkuvannya atomiv rozriznyayut kristalichnij i amorfnij stani rechovini Kristali harakterizuyutsya prostorovoyi periodichnistyu v roztashuvanni rivnovazhnih polozhen atomiv U kristalah seredni polozhennya atomiv chi molekul strogo vporyadkovani Kristalichni tila zberigayut ne tilki blizhnij a j dalnij poryadok Prirodna forma kristaliv pravilni bagatogranniki Bilshist rechovin u tverdomu stani maye kristalichnu strukturu V comu legko perekonatisya yaksho rozkoloti shmatok rechovini i rozglyanuti zlam Na zlami kristalichnih rechovin napriklad u cukru soli sirki metaliv dobre pomitni roztashovani pid riznimi kutami dribni grani kristaliv sho pobliskuyut vnaslidok riznogo vidbittya nimi svitla Pri rozkolyuvanni amorfnih tverdih rechovin napriklad zvichajnogo skla plastmasi shmatkiv smoli parafinu i tak dali zlam viyavlyayetsya gladkim i na vidminu vid zlamiv kristaliv obmezhenij ne ploskimi a ovalnimi poverhnyami Klasifikaciya kristalichnih tilZa tipom chastok sho znahodyatsya u vuzlah kristalichnoyi grati i za tipom yih vzayemodiyi sho perevazhayut v comu kristali rozriznyayut grati Molekulyarni Atomni Ionni Metalevi Vodnevi U molekulyarnih kristalah molekuli pov yazani mizh soboyu molekulyarnimi silami V atomnih kristalah atomi rechovini pov yazani odin z odnim kovalentnim zv yazkom U vuzlah ionnih grat po cherzi roztashovuyutsya pozitivno i negativno zaryadzheni ioni Voni pov yazani odin z odnim silami elektrostatichnogo tyazhinnya U vuzlah metalevih grat roztashovuyutsya atomi metalu v promizhkah mizh yakimi ruhayutsya zagalni dlya cih atomiv elektroni Nareshti kristali z vodnevim zv yazkom harakterizuyutsya podilom yader mizh elektronegativnimi atomami Vodnevi zv yazki zustrichayutsya v bagatoh organichnih i neorganichnih spolukah voni vhodyat v strukturu lodu i vodi Prikladi vodnevih kristaliv H2O lid HF Za tipom zonnoyi strukturitverdi kristalichni tila klasifikuyut na providniki napivprovidniki i dielektriki Providniki zona providnosti i valentna zona perekrivayutsya takim chinom elektron mozhe vilno peremishatisya mizh nimi otrimavshi bud yaku dopustimo malu energiyu Takim chinom pri dodatku do tverdogo tila riznici potencialiv elektroni zmozhut vilno ruhatisya z tochki z menshim potencialom v tochku z bilshim utvoryuyuchi elektrichnij strum Do providnikiv vidnosyat usi metali Napivprovidniki zoni ne perekrivayutsya i vidstan mizh nimi skladaye menshe 4 eV Dlya togo shob perevesti elektron z valentnoyi zoni v zonu providnosti potribno mati energiyu menshu nizh dlya dielektrika tomu chisti vlasni nelegovani napivprovidniki slabo propuskayut strum Dielektriki zoni ne perekrivayutsya i vidstan mizh nimi skladaye bilshe 4 eV Takim chinom dlya togo shob perevesti elektron z valentnoyi zoni v zonu providnosti potribno mati znachnu energiyu tomu dielektriki strum praktichno ne provodyat Za magnitnimi vlastivostyami tverdi tila dilyatsya na diamagnetiki paramagnetiki i tila z vporyadkovanoyu magnitnoyu strukturoyu Diamagnitni vlastivosti yaki slabo zalezhat vid agregatnogo stanu abo temperaturi zazvichaj perekrivayutsya paramagnitnimi yaki ye naslidkom oriyentaciyi magnitnih momentiv atomiv i elektroniv providnosti Za zakonom Kyuri paramagnitna sprijnyatlivist ubuvaye oberneno proporcijno do temperaturi i pri temperaturi 300 K zazvichaj skladaye 10 5kg Paramagnetiki perehodyat v feromagnetiki antiferomagnetiki abo ferimagnetiki pri ponizhenni temperaturi Istorichna dovidkaNezvazhayuchi na te sho tverdi tila metali minerali doslidzhuvalis davno vsebichne vivchennya ta sistematizaciya informaciyi pro yih vlastivosti rozpochalos z 17 stolittya Pochinayuchi z cogo chasu bulo vidkrito nizku empirichnih zakoniv sho opisuvali vpliv na tverde tilo mehanichnih sil zmini temperaturi svitla elektromagnitnih poliv i t d Buli sformulovani zakon Guka 1678 zakon Dyulonga Pti 1819 zakon Oma 1826 zakon Videmana Franca 1853 ta in Uzhe v pershij polovini XIX st buli sformulovani osnovni polozhennya teoriyi pruzhnosti dlya yakoyi harakternim ye uyava pro tverde tilo yak pro sucilne seredovishe Cilisne uyavlennya pro kristalichnu strukturu tverdih til yak sukupnosti atomiv vporyadkovane rozmishennya yakih u prostori zabezpechuyetsya silami vzayemodiyi bulo sformovane Ogyustom Brave u 1848 roci hocha pershi ideyi takogo rodu vislovlyuvalis u traktatah Nikolasom Steno 1669 Rene Zhyustom Ayuyi 1784 Isaakom Nyutonom u roboti Matematichni nachala naturalnoyi filosofiyi 1686 v yakij rozrahovana shvidkist zvuku u lancyuzhku pruzhno pov yazanih chastok Danielem Bernulli 1727 Ogyustenom Luyi Koshi 1830 ta inshimi U 1912 roci M Laue sposterigav difrakciyu rentgenivskih promeniv na kristalah chim ostatochno zatverdiv uyavlennya pro kristalichnu budovu tverdih til yak vporyadkovanu diskretnu strukturu U 1913 roci V Bregg vstanoviv spivvidnoshennya sho pov yazuye period kristalichnoyi gratki dovzhinu hvili rentgenivskogo viprominyuvannya z napryamami difrakcijnih maksimumiv div zakon Bregga Na osnovi cogo buli rozrobleni metodi eksperimentalnogo viznachennya roztashuvannya atomiv v kristalah j vimiryuvannya mizhatomnih vidstanej sho poklalo pochatok rentgenostrukturnomu analizu ta inshim difrakcijnim metodam doslidzhennya strukturi tverdih til U 1927 roci K Dzh Devisson sposterigav difrakciyu elektroniv na kristali Zgodom bula viyavlena difrakciya nejtroniv ta inshih chastok Fazovi perehodifazova diagrama vodi lt br gt plavlennyu i kristalizaciyi vidpovidaye gilka livishe i vishe potrijnoyi tochki sublimaciyi gilka livishe i nizhche potrijnoyi tochki Zelena punktirna liniya pokazuye anomalnu povedinku vodi Pri pidvishenni temperaturi tverdi tila perehodyat v ridkij abo gazovij stan Perehid tverdogo tila v ridkij stan nazivayetsya plavlennyam a perehid v gazovij stan minayuchi ridkij sublimaciyeyu Ce vidbuvayetsya pri takij temperaturi koli zmishennya chastinok z polozhen rivnovagi ye sumirnimi z rivnovazhnimi vidstanyami u kristalichnij reshitci Zvorotnij perehid do tverdogo tila tverdnennya pri znizhenni temperaturi dlya vipadku kristalichnogo stanu nosit nazvu kristalizaciya do amorfnoyi fazi skluvannya Isnuyut takozh fazovi perehodi mizh tverdotilnimi fazami pri yakih zminyuyetsya vnutrishnya struktura tverdih til stayuchi vporyadkovanoyu pri znizhenni temperaturi Pri atmosfernomu tisku i temperaturi T 0 K vsi rechovini v prirodi tverdnut Vinyatok stanovit gelij dlya kristalizaciyi yakogo potribnij tisk 24 atm Riznicya mizh kristalichnim i amorfnim stanami rechovini osoblivo rizko proyavlyayetsya v yih vidnoshenni do nagrivannya Pri postijnomu tisku i rivnomirnomu nagrivanni temperatura tila zrostaye proporcijno kilkosti pidvedennoyi teploti Pri dosyagnenni temperaturi plavlennya kristalizaciyi temperatura tila perestaye zminyuvatisya ne divlyachis na te sho pidvedennya teploti do tila trivaye Odnochasno pochinayetsya proces plavlennya Pislya togo yak vsya rechovina peretvoritsya v ridinu jogo temperatura znovu pochne zrostati Plavlennya amorfnih til protikaye inakshe Pri rivnomirnomu nagrivanni temperatura tila bezperervno zrostaye Perehid v ridkij stan u amorfnih til vidbuvayetsya v intervali temperatur V amorfnih tilah atomi kolivayutsya navkolo haotichno roztashovanih tochok u nih vidsutnij dalnij poryadok ale ye blizhnij poryadok pri yakomu molekuli roztashovani uzgodzheno na vidstani porivnyannomu z yih rozmirami zberigayetsya Okremim vipadkom amorfnogo stanu ye sklopodibnij stan Zgidno z klasichnimi uyavlennyami stijkim stanom z minimumom potencijnoyi energiyi tverdogo tila ye kristalichnij Amorfne tilo znahoditsya v metastabilnomu stani i z plinom chasu maye perejti v kristalichnij stan prote chas kristalizaciyi chasto nastilki velikij sho metastabilnist zovsim ne proyavlyayetsya Zvorotnij mimovilnij proces nemozhlivij Amorfne tilo mozhna rozglyadati yak ridinu z duzhe velikoyu chasto neskinchenno velikoyu v yazkistyu Cej visnovok pidtverdzhuye toj fakt sho bagato amorfnih til tekuchi Napriklad shmatok smoli pokladenij na plosku poverhnyu v teplomu primishenni za kilka tizhniv roztikayetsya prijmayuchi formu diska Fizichni vlastivostiPid fizichnimi vlastivostyami tverdih til rozumiyetsya yih specifichna povedinka pri vplivi pevnih sil i poliv Isnuye tri osnovnih sposobi vplivu na tverdi tila vidpovidni trom osnovnim vidam peredachi energiyi roboti peredacha vporyadkovanoyi formi ruhu materiyi mehanichnij ruh teploobmin peredacha nevporyadkovanoyi haotichnoyi formi ruhu materiyi i peredacha energiyi za dopomogoyu elektromagnitnih hvil Vidpovidno vidilyayut tri osnovnih grupi fizichnih vlastivostej 1 Mehanichni 2 Teplovi 3 Elektromagnitni Mehanichni vlastivosti zv yazuyut mehanichni napruzhennya i deformaciyi tila yaki mozhna podiliti na pruzhni micnisni reologichni j tehnologichni Krim togo pri vplivi na tverdi tila ridin abo gaziv viyavlyayutsya yih gidravlichni i gazodinamichni vlastivosti Do termichnih teplovih nalezhat vlastivosti yaki viyavlyayutsya pid vplivom teplovih poliv Do elektromagnitnih vlastivostej umovno mozhna vidnesti radiacijni sho proyavlyayutsya pri vplivi na tverde tilo potokiv mikrochastinok abo elektromagnitnih hvil znachnoyi zhorstkosti rentgenivskih gamma promeniv tosho Mehanichni vlastivosti Dokladnishe Mehanichni vlastivosti materialu Zagalom zberigayuchi formu za vidsutnosti chi neznachnogo silovogo vplivu tverdi tila zdatni deformuvatisya pid vplivom zovnishnih sil Deformaciyeyu tverdogo tila nazivayut zminu jogo rozmiriv i ob yemu sho perevazhno suprovodzhuyetsya zminoyu formi tila V deyakih vipadkah vsebichni stisnennya abo roztyaguvannya forma tila zberigayetsya V zalezhnosti vid velichini prikladenoyi sili deformaciya mozhe buti pruzhnoyu plastichnoyu abo rujnivnoyu Pri pruzhnij deformaciyi tilo povertaye sobi pochatkovu formu i rozmiri pislya znyattya prikladenih sil Vidklik pruzhnogo tverdogo tila na prikladene zusillya harakterizuyetsya modulyami pruzhnosti na osnovi zakonu Guka Vidminnoyu risoyu tverdogo tila v porivnyanni z ridinami ta gazami ye te sho vono chinit opir ne tilki roztyagu ta stiskannyu a takozh zsuvu zginu j kruchennyu Pri plastichnij deformaciyi pochatkova forma tila ne zberigayetsya Harakter deformaciyi zalezhit takozh vid chasu vprodovzh yakogo diye zovnishnya sila Tverde tilo mozhe deformuvatisya pruzhno pri korotkochasnij diyi ale plastichno yaksho zovnishni sili diyut trivalij chas Taka povedinka nazivayetsya povzuchistyu Odniyeyu z deformacijnih harakteristik tila ye jogo tverdist zdatnist opiratisya proniknennyu v nogo inshih til Kozhne tverde tilo maye vlastivij jomu porig deformaciyi pislya yakoyi nastupaye rujnuvannya Vlastivist tverdogo tila opiratisya rujnuvannyu harakterizuyetsya micnistyu Pri rujnuvanni v tverdomu tili z yavlyayutsya i rozpovsyudzhuyutsya trishini yaki vreshti resht prizvodyat do rozlomu Do mehanichnih vlastivostej tverdogo tila nalezhit takozh jogo zdatnist provoditi zvuk yakij ye hvileyu sho perenosit lokalnu deformaciyu z odnogo miscya v inshe Na vidminu vid ridin ta gaziv u tverdomu tili mozhut rozpovsyudzhuvatisya ne lishe pozdovzhni zvukovi hvili a j poperechni sho zv yazano z oporom tverdogo tila deformaciyi zsuvu Shvidkist zvuku v tverdih tilah zagalom visha nizh u gazah zokrema v povitri oskilki mizhatomna vzayemodiya nabagato silnisha Shvidkist zvuku v kristalichnih tverdih tilah harakterizuyetsya anizotropiyeyu tobto zalezhnistyu vid napryamku poshirennya Teplovi vlastivosti Zdatnist do fazovih perehodiv Najvazhlivijshoyu teplovoyu vlastivistyu tverdih til ye yih zdatnist pri pidvishenni temperaturi do fazovih perehodiv takih yak plavlennya perehid u ridkij stan i dlya deyakih rechovin lid jod tverda vuglekislota tosho sublimaciya bezposerednij perehid u gazovij stan Fizichna velichina sho harakterizuye plavlennya kristalichnih til ye temperatura plavlennya Inshoyu vazhlivoyu harakteristikoyu plavlennya ye teplota plavlennya abo prihovana teplota plavlennya Oborotnij proces plavlennyu maye nazvu kristalizaciya a sublimaciyi desublimaciya Temperatura i teplota kristalizaciyi dorivnyuyut vidpovidno temperaturi i teploti plavlennya Na vidminu vid kristaliv u amorfnih tverdih til perehid do ridkogo stanu z pidvishennyam temperaturi vidbuvayetsya postupovo Jogo harakterizuyut temperaturoyu skluvannya tobto temperaturoyu vishe yakoyi material majzhe povnistyu vtrachaye pruzhnist i staye plastichnim Vlastivist teplovogo rozshirennya Zmina temperaturi viklikaye deformaciyu tverdogo tila zdebilshogo pidvishennya temperaturi prizvodit do rozshirennya Kilkisno vona harakterizuyetsya koeficiyentom teplovogo rozshirennya Rozglyadayut linijne abo ob yemne teplove rozshirennya Koeficiyent linijnogo teplovogo rozshirennya viznachayetsya yak vidnoshennya zmini linijnih rozmiriv materialu do zmini temperaturi Otzhe ce vidnosna zmina dovzhini na gradus zmini temperaturi aL 1LdLdT displaystyle alpha L frac 1 L frac dL dT de L displaystyle L linijnij rozmir napriklad dovzhina i dL dT displaystyle dL dT zmina linijnogo rozmiru na odinicyu zmini temperaturi Ob yemnij koeficiyent teplovogo rozshirennya mozhe buti zapisanij aV 1VdVdT displaystyle alpha V frac 1 V frac dV dT de V displaystyle V ob yem materialu i dV dT displaystyle dV dT intensivnist zmini ob yemu iz zminoyu temperaturi Dlya izotropnih materialiv koeficiyent linijnogo teplovogo rozshirennya stanovit priblizno odnu tretinu vid ob yemnogo koeficiyenta teplovogo rozshirennya aV 3aL displaystyle alpha V approx 3 alpha L Materiali z anizotropnoyu strukturoyu taki yak kristali chi kompoziti zazvichaj mayut rizni koeficiyenti linijnogo rozshirennya aL displaystyle alpha L u riznih napryamkah U rezultati zagalne znachennya ob yemnogo rozshirennya rozpodilyayetsya nerivnomirno sered troh osej U takih vipadkah dlya rozrahunkiv teplovogo rozshirennya slid vvoditi tenzor koeficiyenta teplovogo rozshirennya sho mozhe mistiti do shesti nezalezhnih komponentiv Dokladnishe Teplove rozshirennya Teploprovidnist Yavishe teploprovidnosti polyagaye v tomu sho kinetichna energiya atomiv j molekul yaka viznachaye temperaturu tila peredayetsya atomam i molekulam u tih oblastyah tila de temperatura nizhcha Pri teploprovidnosti velichina potoku tepla viznachayetsya rizniceyu temperaturi mizh riznimi oblastyami tila Kilkisno teploprovidnist harakterizuyetsya koeficiyentom teploprovidnosti k displaystyle kappa yakij vhodit v rivnyannya zakon Fur ye q k T displaystyle mathbf q kappa nabla T Tut q displaystyle mathbf q teplovij potik T temperatura displaystyle nabla operator Gamiltona nabla yakim poznachayetsya gradiyent Koeficiyent teploprovidnosti vimiryuyetsya u Vt m K abo Vt m 1 K 1 Dokladnishe Teploprovidnist Elektrichni magnitni ta optichni vlastivosti Odniyeyu z golovnih elektrichnih vlastivostej tverdih til ye elektroprovidnist Oborotna vlastivist ye elektrichnij opir V zalezhnosti vid velichini pitomogo oporu tverdi tila podilyayutsya na providniki ta dielektriki promizhne polozhennya mizh yakimi zajmayut napivprovidniki Napivprovidniki mayut malu elektroprovidnist odnak dlya nih harakterne yiyi zrostannya z temperaturoyu Elektrichni vlastivosti tverdih til pov yazani z yihnoyu Dlya dielektrikiv vlastiva shilina v energetichnomu spektri elektroniv yaku u vipadku kristalichnih tverdih til nazivayut zaboronenoyu zonoyu Ce oblast znachen energiyi yaku elektroni v tverdomu tili ne mozhut mati V dielektrikiv usi elektronni stani nizhche vid shilini zapovneni i zavdyaki principu Pauli elektroni ne mozhut perehoditi iz odnogo stanu v inshij chim zumovlena vidsutnist providnosti Providnist napivprovidnikiv duzhe silno zalezhit vid domishok akceptoriv ta donoriv Isnuye pevnij klas tverdih til dlya yakih harakterna ionna providnist Ci materiali nazivayut superionikami Zdebilshogo ce ionni kristali v yakih ioni odnogo sortu mozhut dovoli vilno ruhatisya mizh neporushnoyu gratkoyu ioniv inshogo sortu Pri nizkih temperaturah dlya deyakih tverdih til vlastiva nadprovidnist zdatnist provoditi elektrichnij strum bez oporu Isnuye klas tverdih til yaki mozhut mati spontannu polyarizaciyu piroelektriki Yaksho cya vlastivist harakterna tilki dlya odniyeyi z faz sho isnuye v pevnomu promizhku temperatur to taki materiali nazivayutsya segnetoelektrikami Dlya p yezoelektrikiv harakternij silnij zv yazok mizh polyarizaciyeyu i mehanichnoyu deformaciyeyu Za magnitnimi vlastivostyami tverdi tila dilyatsya na dva klasi slabomagnitni i silnomagnitni Do slabomagnitnim vidnosyatsya diamagnetiki i paramagnetiki do silnomagnitnim feromagnetiki Feromagnetikam vlastive isnuvannya vnutrishnogo magnitnogo polya yake v bagato raziv perevishuye zovnishnye pole sho stalo poshtovhom dlya jogo navedennya Optichni vlastivosti tverdih til duzhe riznomanitni Metali zdebilshogo mayut visokij koeficiyent vidbittya svitla u vidimij oblasti spektru bagato dielektrikiv prozori yak napriklad sklo Chasto kolir togo chi inshogo tverdogo tila zumovlenij poglinannyam svitla domishkami Dlya napivprovidnikiv ta dielektrikiv harakterna fotoprovidnist zbilshennya elektroprovidnosti pri osvitlenni Idealizaciyi tverdogo tila u naukahTverdi tila sho zustrichayutsya u prirodi harakterizuyutsya neskinchennoyu mnozhinoyu riznomanitnih vlastivostej yaka postijno popovnyuyetsya U zalezhnosti vid postavlenih pered pevnoyu naukoyu zavdan ye vazhlivimi lishe okremi vlastivosti tverdogo tila inshi nesuttyevi Napriklad pri doslidzhenni micnosti stali yiyi magnitni vlastivosti praktichno roli ne vidigrayut Dlya prostoti vivchennya realne tilo zaminyayut idealnim vidilyayuchi lishe najvazhlivishi vlastivosti dlya vipadku sho rozglyadayetsya Takij pidhid sho praktikuyetsya bagatma naukami nazivayetsya abstraguvannyam Pislya vidilennya idealizovanogo tila z pevnim perelikom suttyevih vlastivostej buduyetsya teoriya Dostovirnist takoyi teoriyi zalezhit vid togo naskilki vdalo prijnyata idealizaciya vidobrazhaye suttyevi harakteristiki ob yektu Ocinku comu mozhna dati pri porivnyanni rezultativ doslidzhen otrimanih teoretichno na osnovi idealizovanoyi modeli ta eksperimentalno U teoretichnij mehanici U teoretichnij mehanici idealizovanoyu shemoyu realnogo tverdogo tila ye absolyutno tverde tilo tobto take u yakomu pri bud yakih obstavinah vidstani mizh dovilnimi tochkami ye stalimi ne zminyuyutsya ni rozmiri ni forma tila Dokladnishe Absolyutno tverde tilo U teoriyi pruzhnosti U teoriyi pruzhnosti ta yiyi prikladnomu zastosuvannyu opori materialiv takozh rozglyadayutsya modeli kotri vrahovuyut i absolyutizuyut okremi vlastivosti tverdogo tila Do cih vlastivostej vidnosyatsya deformivnist odnoridnist sucilnist izotropnist Prijnyattya umov odnoridnosti i sucilnosti pri malih deformaciyah dozvolyaye zastosuvati metodi analizu neskinchenno malih velichin sho suttyevo sproshuye pobudovu teoriyi oporu materialiv Vvazhayetsya takozh sho zalezhnist mizh napruzhennyami i deformaciyami opisuyutsya ye linijnoyu div Zakon Guka Dokladnishe Absolyutno pruzhne tilo U teoriyah plastichnosti U teoriyah plastichnosti modeli tverdogo tila bazuyutsya na idealizaciyi vlastivosti deformacijnogo zmicnennya abo ta vlastivosti plinnosti tverdih til u napruzheno deformovanomu stani U matematici U matematici geometriyi ob yektom rozglyadu ye uyavne tverde tilo v yakomu zberigayutsya lishe forma i rozmiri pri povnomu abstraguvanni vid usih inshih vlastivostej Na vidminu vid realnih predmetiv geometrichni tila yak i vsyaki geometrichni figuri ye uyavnimi ob yektami Dokladnishe Geometrichne tilo U hromatografiyi Poruvate tverde tilo z adsorbcijnimi vlastivostyami yaki mozhut buti vikoristani dlya hromatografichnogo rozdilennya Div takozhAbsolyutno tverde tilo Absolyutno pruzhne tilo Deformivne tilo Amorfni metali Model tverdih sferPrimitkiStreleckij Aleksej Vladimirovich Najmushina Darya Anatolevna Tvyordoe telo Rosnano Arhiv originalu za 31 travnya 2012 Procitovano 8 bereznya 2012 Bolshaya sovetskaya enciklopediya v 30 t gl red A M Prohorov 3 e izd Moskva Sovetskaya enciklopediya 1969 1978 Glinka N L 2003 Daniels F Olberti R 1978 Korovin i dr 1990 Savelev I V 1970 s 494 495 Seleznyov Yu A 1969 s 352 353 DzherelaGlinka N L Obshaya himiya 30 M Integral Press 2003 728 s ISBN 5 89602 017 1 Daniels F Olberti R Fizicheskaya himiya M Mir 1978 648 s Korovin i dr Kurs obshej himii 2 M Vysshaya shkola 1990 446 s ISBN 5 06 000 663 8 Savelev I V Kurs fiziki M Nauka 1970 T 1 496 s ISBN 5 02 014052 x 5 02 014430 4 Seleznyov Yu A Osnovy elementarnoj fiziki 3 M Nauka 1969 496 s