твёрдое и жидкое состояние вещества

1.

2.

Твёрдые тела – это агрегатное состояние вещества,
характеризующееся стабильностью формы и
характером теплового движения атомов,
совершающих малые колебания около положений
равновесия.
Виды твердых тел
Кристаллы – это все
твёрдые тела, частицы
которых располагаются
в строгом порядке,
образуя
пространственные
периодически
повторяющиеся
структуры –
кристаллические
решётки .
Аморфные тела –
это твёрдые тела,
для которых
характерно
неупорядоченное
расположение
частиц в
пространстве.
Композиты – это
твёрдые тела, частицы
которых располагаются
трёхмерно
упорядоченно в
определенной области
пространства, но этот
порядок не повторяется
с регулярной
периодичностью.
Пример: железобетон,
стеклопластик, кости

3.

Для наглядного представления внутренней структуры кристалла
используют его изображение с помощью кристаллической решётки.
Кристаллические решётки - это упорядоченное расположение
частиц (атомов, молекул, ионов) в строго определённых точках
пространства. Точки размещения частиц называют узлами
кристаллической решётки.
Дефекты кристаллического строения:
Точечные дефекты — возникают при замещении собственного атома
чужеродным, внедрении атома в пространство между узлами решетки или при
отсутствии атома в одном из узлов кристаллической решетки.
Линейные дефекты — возникает при
нарушениях в порядке расположения
атомных плоскостей в кристаллах.

4. Типы кристаллических решеток

характеристики
тип решетки
атомная
Вид частиц в
узлах
решетки
Характер
Химической
связи между
частицами
Прочность связи
Отличительные
свойства
веществ
Примеры
веществ
ионная
молекулярная
металлическая

5. Типы кристаллических решеток:

характеристики
Тип решетки
атомная
молекулярная
металлическая
Ионы: катионы,
анионы
Молекулы
Атом-ионы
Характер
Ковалентная
химической связи
между частицами
Ионная
Силы межмолекулярного
взаимодействия
Металлическая
связь
Прочность связи
Очень
прочная
Прочная
Слабая
Разной
прочности
Отличительные
свойства
веществ
Твердые,
тугоплавкие,
нелетучие,
нерастворимы
в воде
Твердые,
тугоплавкие,
нелетучие,
растворимы в
воде (многие)
Хрупкие,
легкоплавкие,
при обычных
условиях часто–
жидкости или
газы
Металлически
блеск, хорошие
электро-и теплопроводность,
ковкость,
пластичность
Примеры
веществ
Кремний,
алмаз
Поваренная
соль,
основания,
хлорид кальция
Йод, лед, «сухой Медь, железо,
лед»
золото
Вид частиц в
узлах решетки
Атомы
ионная

6. Кристаллы:

Монокристалл – это Поликристаллы – это твёрдые
одиночный кристалл тела, состоящие из большого
числа маленьких кристалликов.
Физические свойства:
- правильная геометрическая форма
- постоянная t◦ плавления.
- анизотропия – это зависимость физических свойств
от направления внутри кристалла.
Монокристалл кварца.
Поликристалл висмута.

7.

Диаграмма плавления кристаллического тела
Плавление – переход твердого тела в жидкость.
ОА: нагревание твердого тела;
АВ: плавление тела (внутренняя энергия тела
увеличивается): тело находится одновременно
и в жидком и в твёрдом состоянии;
Тпл = const, т.к. всё подводимое тепло идёт на
разрыв кристаллической решетки.
Тпл зависит от рода вещества;
Тпл зависит от давления
(Р↑ ⇒ Т↑ для большинства тел)
т. В – окончание плавления,
тело стало жидкостью.
Q = λ·m
ВС: нагревание жидкости;
СD: охлаждение жидкости;
ЕF: кристаллизация при Ткр = Тпл, сопровождается выделением тепла (Q);
т. F – окончание кристаллизации, тело полностью отвердело;
FG: охлаждение твёрдого тела;
DE: для чистых жидкостей (без пылинок и примесей) при быстром охлаждении
получается переохлажденная жидкость (Ткр › Тж). Неустойчивое положение.

8. Аморфные тела

-это твёрдые тела , где
сохраняется только ближний
порядок в расположении
атомов.
(кремнезём, смола, стекло, леденец) .
Физические свойства:
- нет постоянной t◦ плавления;
- обладают текучестью;
- - изотропия – это
независимость физических
свойств от направления
- при низких температурах они
ведут себя подобно
кристаллическим телам, а при
высокой подобны жидкостям.

9. Закон постоянства состава

«Молекулярные химические соединения
независимо от способа их получения
имеют постоянный состав и свойства»
Жозеф Луи
Пруст.
1754-1808

10.

Механические свойства:
Механические свойства характеризуют способность материалов
сопротивляться действию внешних сил.
1. Прочность— это способность материала сопротивляться
разрушающему воздействию внешних сил.
2. Твердость— это способность материала сопротивляться
внедрению в него другого, более твердого тела под действием
нагрузки.
3. Вязкость - это свойство материала сопротивляться разрушению
под действием динамических нагрузок.
4. Упругость — это свойство материалов восстанавливать свои
размеры и форму после прекращения действия нагрузки.
5. Пластичность - это способность материалов изменять свои
размеры и форму под действием внешних сил, не разрушаясь при
этом.
6. Хрупкость — это свойство материалов разрушаться под
действием внешних сил без остаточных деформаций.

11.

Деформация - изменение формы или объема тела под
действием внешних сил.
По характеру деформации делятся на:
Упругие - полностью исчезают после прекращения действия
внешних сил.
Пластические - не исчезают после прекращения действия
внешних сил.
Некоторые виды (Не все!)
деформаций твердых тел:
1 – деформация растяжения;
2 – деформация сдвига;
3 – деформация всестороннего сжатия.
Деформация сдвига - деформация при которой
происходит смещение слоёв тела относительно друг друга.
Деформации сдвига подвержены все балки в местах опор, заклёпки и
болты, скрепляющие детали и т.д. Сдвиг на большие углы может привести к
разрушению тела - срезу. Срез происходит при работе ножниц, долота,
зубила, зубьев пилы.

12.

Деформация кручения - деформация при которой
отдельные слои тела остаются параллельными, но
смещаются относительно друг друга по винтовой
линии.
Деформации кручения подвержены
валы машин, сверла, оси.
Деформация изгиба - деформация при которой все
слои тела можно разделить на три: испытывающий
сжатие, испытывающий растяжение и
разделяющий их недеформированный (нейтральный)
слой.
Деформации изгиба подвержены кран-балки, консоли,
несущие конструкции.

13.

Деформация растяжения (сжатие) - деформация при
которой происходит изменение линейных размеров тел.
Деформацию сжатия испытывают
столбы, колонны, стены,
фундаменты зданий
Деформацию растяжения - тросы, канаты, цепи в
подъемных устройствах, стяжки м/у вагонами.
Физические величины, характеризующие деформацию растяжения:
Напряжение – это физическая величина, численно равная
отношению силы упругости к площади поперечного сечения
образца:
При малых деформациях напряжение прямо пропорционально
относительному удлинению: σ = Е|ε|
Модуль упругости Юнга (Е) постоянен для образцов из данного
материала и не зависит от формы и размера образца.
Относительное удлинение:
l0 - первоначальная длина образца;
l – длина, деформированного образца

14.

Диаграмма растяжения
- по оси абсцисс откладывается относительное удлинение ε,
- по оси ординат – механическое напряжение σ.
σ
σп
.
Приложение нагрузки
°А
ОА - область упругих деформаций,
где
выполняется закон Гука : F= - k·∆x
Упругие деформации полностью исчезают
после разгрузки испытуемого образца.
ε
0
Максимальное напряжение σ = σп , при котором
деформация еще остается упругой, называется
пределом пропорциональности (точка А).

15.

Диаграмма растяжения
Увеличение нагрузки
σ
σупр
σп
0
°В
°А
Деформация становится нелинейной, но
после снятия нагрузки формы и размеры тела
практически восстанавливаются участок АВ
ε
Максимальное напряжение σ = σ упр , при
котором еще не возникают заметные
остаточные деформации , называется
пределом упругости. (точка В).

16.

σ
σт
σупр
σп
Диаграмма растяжения
Увеличение нагрузки
С
°В
°А
°
D
°
Участок СД - деформация возрастает при
неизменном напряжении (материал «течет»)
εост – остаточная деформация –
изменение первоначальных размеров
тела при снятии напряжения в области
пластических деформаций.
0
εост
ε
Напряжение σ = σт , при котором материал
«течет», называется пределом текучести.

17.

Диаграмма растяжения
σ
σпч
σт
σупр
σп
0
Увеличение нагрузки
Е
°
С
°В
°А
εост
°
D
°
После т. Е деформация вплоть до
разрыва происходит при все
меньшем напряжении.
ε
Максимальное напряжение σ = σпч , которое
способен выдержать образец без разрушения,
называется пределом прочности . (точка Е).

18.

Запас прочности ( коэффициент безопасности)
- это отношение предела пропорциональности данного
материала к максимальному напряжению, которое будет
испытывать деталь конструкции в работе:

19.

Задача: Проволока длиной 5,4 м под действием нагрузки удлинилась на
2,7 мм. Определите абсолютное и относительное удлинение проволоки.
Дано:
l = 5,4м
Δl = 2,7·10-3 м
Найти:
δ -?
ε -?
Задача: Какие силы надо приложить к концам стальной проволоки
длиной 4 м и площадью поперечного сечения 0,5 мм2 для удлинения ее на
2 мм? Какая совершается при этом работа?
Дано:
l=4м
S = 0,5·10-6м2
Δl = 2·10-3 м
Найти:
F -?
A -?

20.

Тепловое расширение – это линейное увеличение размеров
тела и его объёма, происходящие при повышении
температуры.
Линейное расширение :
Коэффициент линейного
расширения (α) –
характеризует изменение
линейных размеров тела из
данного материала, при
изменении температуры на 1К.
Объёмное расширение :
Коэффициент объёмного
расширения (β) –
характеризует изменение
объёма тела из данного
материала, при изменении
температуры на 1К.
β = 3α

21.

Задача: железная паропроводная труба от котельной до здания школы
имеет длину 300 м. Пока пара нет, темпера тура трубы 20 °С. Когда же по
трубе под давлением проходит пар, ее температура достигает 120 °С. На
сколько изменяется при этом длина трубы? Почему не происходит разрыва
трубы?
Дано:
l = 300 м
t1 = 200C
t2 = 1200C
E = 2,17·1011 Па
α = 1,1·10-5 К-1
Найти:
Δl -?

22.

Кристалл дистиллированной воды, не
подвергнутый никакому воздействию.
Кристалл воды, прослушавший
«Пастораль» Бетховена.
Кристалл ключевой воды.
Вода, прослушавшая
тяжёлый рок - вот её
кристалл
Слева слово «Ангел», справа – «Дьявол»,
образовавшиеся кристаллы воды.

23.

Жидкость – это агрегатное состояние вещества,
промежуточное между твёрдым и газообразным.
Строение жидкости:
•Молекулы вещества расположены почти вплотную друг к другу.
•Могут совершать тепловые колебания около фиксированных
центров.
•Время от времени любая молекула может переместиться в
соседнее вакантное место скачком.
•Молекулы могут перемещаться по всему объему жидкости.
•Из-за сильного взаимодействия между близко расположенными
молекулами они могут образовывать локальные (неустойчивые)
упорядоченные группы, содержащие несколько молекул - ближний
порядок.

24.

Пример ближнего порядка молекул жидкости и
дальнего порядка молекул кристаллического вещества:
1 – вода; 2 – лед.

25.

Свойства жидкостей:
1. принимает форму сосуда, в
котором находится:
2. сохраняет свой объём;
3. молекулярное давление очень
велико.
4. практически не сжимаемы.
чтобы уменьшить объем воды на 1%,
необходимо увеличить давление в 200раз
(до 200 атм)
5. обладают текучестью.
6. если жидкость находится в
состоянии равновесия, то
Fпритяжения = Fотталкивания
7. имеет квазикристаллическое
строение: каждая частица
характеризуется средним числом соседних
частиц в ближайшем окружении (n) и
определённой геометрической фигурой,
описывающей их расположение.
Для воды, например, n = 4.4, а само
окружение в среднем является
тетраэдрическим.
8. при сдвиге слоёв друг
относительно друга в
жидкости возникают силы
внутреннего трения
(динамическая вязкость).

26.

Поверхностный слой – свободная поверхность жидкости
толщиной в диаметр молекулы.
Молекулярное давление – это одностороннее действие,
направленное внутрь жидкости, которое оказывают
молекулы поверхностного слоя, сжимая жидкость
Равнодействующая сил,
действующая на каждую молекулу
на поверхности жидкости, будет
направлена вглубь жидкости, ┴
поверхности.
И поверхностные молекулы
втягиваются внутрь жидкости.

27.

Энергия поверхностного слоя

28.

Молекулы, находящиеся на поверхности под
действием результирующей силы притяжения
втягиваются внутрь жидкости.
Капля масла в водном
растворе спирта.
Под действием силы притяжения между
молекулами на поверхности жидкости
оказывается минимальное число молекул и
жидкость принимает сферическую форму,
имеющую минимальную поверхность!
Если в мыльный раствор опустить проволочную
рамку, одна из сторон которой подвижна, то на ней
образуется пленка жидкости.
Силы поверхностного натяжения стремятся сократить
поверхность пленки и направлены наверх.
Условие равновесия записывается в виде:
В космическом корабле
шарообразную форму
принимает и достаточно
большая масса жидкости.
2 R p R
2

29.

Отсюда избыточное давление внутри капли равно:
4
p
R
капля
2
p
R
мыльный
жидкости
Избыточное давление внутри мыльного пузыря
в два раза больше, так как пленка имеет две поверхности:
p
пузырь
- давление в случае цилиндрической
r поверхности.

30. Механизм возникновения поверхностного натяжения

Поверхностное натяжение — явление
молекулярного давления на жидкость,
вызванное, притяжением молекул
поверхностного слоя к молекулам внутри
жидкости.

31.

Смачиваемость –это явление искривления поверхности
жидкости у поверхности твёрдого тела в результате
взаимодействия молекул жидкости с молекулами твёрдого тела.
Причина: силы межмолекулярного взаимодействия.
Смачивание
Несмачивание
Жидкость, которая растекается
Жидкость, собирающаяся в
тонкой пленкой по поверхности
каплю, на поверхности твердого
твердого тела является смачивающей тела является несмачивающей
Fж/т > Fж
Угол смачивания: <90
Fж/т < Fж
Угол смачивания: > 90
Угол смачивания – это угол между плоскостью, касательной к поверхности
жидкости и стенкой, во внутрь жидкости.

32.

Мениск – это форма поверхности жидкости вблизи
стенки сосуда или близко расположенными твёрдыми
стенками.
Давление Лапласа - это избыточное давление, вызванное одной
искривленной поверхностью.
В случае выпуклого мениска давление внутри жидкости больше, чем
над поверхностью.
В случае вогнутого мениска давление внутри жидкости меньше, чем
на поверхности.

33. Высота подъема жидкости в капиллярах

34.

Задача: с какой силой действует мыльная плёнка на проволоку АВ, если её
длина 3 см? Какую работу надо совершить, чтобы переместить проволоку на 2
см?
Дано:
L = 3 см = 0,03 м
Δx = 2 см = 0,02 м
σ = 0,04 Н/м
Найти: F - ? A - ?
Решение.
F = 2·σ·L = 2·0,04·0,03 = 2,4·10-3(Н)
А = F·Δx = 2·σ·L·Δx
А = 2,4·10-3·0,02 = 4,8·10-5 (Дж)
Ответ: 2,4 мН; 48 мкДж
Задача: В капиллярной трубке радиусом 0,5 мм жидкость поднялась на 11 мм.
Найти плотность данной жидкости, если ее коэффициент поверхностного
натяжения 22 мН/м?
Дано:
h = 11 мм = 11·10-3м
σ = 22·10-3Н/м
R = 0,5·10-3м
g = 9,8 м/с2
Найти:ρ - ?

35. Смачивание и капиллярность в природе и технике

Флотация-технологический процесс обогащения руд.
Моющее действие мыла.
Зонты, плащи, непромокаемые ткани.
Капиллярная пропитка различных материалов широко
применяется в процессах химической технологии.

36.

Домашнее задание:
1. Медный стержень, длиной 3м и сечением 1,5мм2 растягивают. Определите
работу, совершаемую при этом, если относительное удлинение стержня составило
0,001.
2. Стальная струна диаметром 0,5 мм и длиной 80 см растягивается на 1мм.
Определите силу, приложенную к струне. Вычислите работу при растяжении
струны.
3. Медный стержень, имеющий температуру 100С, плотно вставлен между
неподвижными плоскостями. Стержень нагревают до 800С. Определите
напряжение, возникающее в нём.
4. С помощью пипетки отмерено 40 капель воды. Найдите поверхностное
натяжение воды, если масса отсчитанных капель составляет 1,84 г, а диаметр
шейки пипетки 2мм.
5. Найдите добавочное давление, создаваемое поверхностью воздушного
пузырька диаметром 1мм, находящегося под водой.
6. Медный шарик радиусом 1мм равномерно падает в жидкости со скоростью
5см/с. Определите динамическую вязкость жидкости, если её плотность
1,5·103кг/м3.