Тверде тіло

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Модель будови кристалічного твердого тіла

Тверде́ ті́ло (англ. solod) — агрегатний стан речовини, що характеризується стабільністю форми на відміну від інших агрегатних станів  рідини та газу. Атоми твердих тіл більшість часу проводять в околі певних рівноважних положень, здійснюючи тільки незначні теплові коливання.

Будову, властивості та поведінку твердих тіл вивчають: окрема область фізики — фізика твердого тіла, хімії — хімія твердого тіла, прикладні науки — матеріалознавство, теоретична механіка, механіка деформівного твердого тіла.

Класифікація твердих тіл[ред.ред. код]

Atoms of Si and O; each atom has the same number of bonds, but the overall arrangement of the atoms is random.
Regular hexagonal pattern of Si and O atoms, with a Si atom at each corner and the O atoms at the centre of each side.
Схематичне зображення атомної структури невпорядкованого аморфного (зліва) та впорядкованого кристалічного (справа) твердого тіла.

Властивості твердих тіл визначаються їх хімічним складом і залежать від характеру міжатомних зв'язків, типу кристалічної структури та ступеня кристалічної досконалості, а також від фазового складу. Залежно від кількості складових компонентів, що входять в них, тверді тіла можна поділити на прості (однокомпонентні) і складні (багатокомпонентні), останні у свою чергу, можуть бути хімічною сполукою (неорганічною або органічною) або твердими розчинами різного типу (заміщення, вкорінення).

За типом упорядкування атомів розрізняють кристалічні і аморфні тверді тіла. Кристали характеризуються наявністю просторової періодичності в розміщенні рівноважних положень коливань атомів, тобто наявністю кристалічної ґратки. Атоми аморфних твердих тіл коливаються поблизу невпорядковано розміщених точок.

Типи зв'язку між атомами у твердих тілах поділяють на п'ять класів:

За домінуючими механічними властивостями в умовах деформування під навантаженням виділяють пружні, пластичні, в'язкі та крихкі тверді тіла.

За електричними властивостями тверді тіла розділяють на метали і неметали. Електричні, магнітні і деякі інші властивості твердих тіл визначаються переважно характером руху валентних електронів його атомів. У зв'язку з цим тверді тіла поділяються за електричними властивостями на діелектрики, напівпровідники, метали, сегнетоелектрики;

За магнітними властивостями виділяють діамагнетики і парамагнетики та магнітовпорядковані тверді тіла (феро-, антиферо- і феромагнетики). Електричні, магнітні і деякі інші властивості твердих тіл визначаються переважно характером руху валентних електронів атомів.

Історична довідка[ред.ред. код]

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:

Уже у першій половині 19 ст. було сформульовано 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-Жустом Аюї (1784), Ісааком Ньютоном у роботі «Математичні начала натуральної філософії» (1686), у 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.

В подальшому фізика твердого тіла поділилась на низку областей, вирізняння яких відбувається шляхом виділення або об'єктів дослідження (фізика металів, фізика напівпровідників, фізика магнетиків тощо), або методів дослідження властивостей твердих тіл (механічних, теплових, рентгеноструктурних, магнітних тощо).

Фазові перетворення[ред.ред. код]

При підвищенні температури твердого тіла підведена до нього теплота витрачається переважно на збільшення внутрішньої енергії кристала. Сильне нагрівання тіла може привести до переходу речовини у рідкий або газоподібний стан. Перехід твердого тіла в рідину називається плавленням, а перехід у газоподібний стан, минаючи рідкий,— сублімацією. Це відбувається при такій температурі, коли зміщення частинок з положень рівноваги є сумірними з рівноважними відстанями у решітці. Зворотний перехід до твердого тіла (тверднення) при зниженні температури для випадку кристалічного стану носить назву кристалізація, для випадку отримання аморфної фази — склування. Кристалізація пов'язана з виділенням певної кількості теплоти, яка дорівнює теплоті плавлення, і для хімічно чистих речовин відбувається за сталої температури, що збігається з температурою плавлення.

Існують також фазові переходи між твердотільними фазами, при яких змінюється внутрішня структура твердих тіл, стаючи упорядкованішою при пониженні температури.

Докладніше: Фазовий перехід

Фізичні властивості[ред.ред. код]

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 енергії: механічний, термічний (тепловий) і електромагнітний. Відповідно виділяють три основних групи фізичних властивостей.

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[ред.ред. код]

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 повздовжні 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[ред.ред. код]

Характеристики фазових переходів[ред.ред. код]

Найважливішою тепловою властивістю твердого тіла є температура плавлення — температура, при якій відбувається перехід у рідкий стан. Іншою важливою характеристикою плавлення є прихована теплота плавлення. На відміну від кристалів, у аморфних твердих тіл перехід до рідкого стану із підвищенням температури відбувається поступово. Його характеризують температурою склування — температурою, вище якої матеріал майже повністю втрачає пружність і стає пластичним.

Теплове розширення[ред.ред. код]

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:


\alpha_L=\frac{1}{L}\,\frac{dL}{dT},

де L — лінійний розмір (наприклад, довжина) і dL/dT — зміна лінійного розміру на одиницю зміни температури.

Об'ємний коефіцієнт теплового розширення може бути записаний


\alpha_V = \frac{1}{V}\,\frac{dV}{dT}

де V — об'єм матеріалу, і dV/dT інтенсивність зміни об'єму із зміною температури.

Для ізотропних матеріалів, коефіцієнт лінійного теплового розширення становить приблизно одну третину від об'ємного коефіцієнта теплового розширення.

\alpha_V \approx 3\alpha_L

Матеріали з анізотропною структурою, такі як кристали чи композити, зазвичай, мають різні коефіцієнти лінійного розширення \alpha_L 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.

Теплоємність[ред.ред. код]

Для характеристики теплоємності твердих тіл використовуються питома (масова), об'ємна й молярна теплоємності. У неметалічних твердих тілах найбільший внесок у теплоємність дає енергія теплових коливань часток, які перебувають у вузлах кристалічних ґраток. Для металів, крім цього, слід враховувати теплоємність виродженого електронного газу.

Теплоємність твердого тіла залежить від температури, особливо за низьких температур, однак в області кімнатних температур і вище, багато твердих тіл мають приблизно сталу теплоємність (закон Дюлонга-Пті). Перехід до сталої залежності теплоємності від температури відбувається при характерній для кожного матеріалу температурі Дебая.

Теплопровідність і температуропровідність[ред.ред. код]

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  \kappa , який входить в рівняння (закон Фур'є)

 \mathbf{q} = - \kappa \nabla T .

Тут  \mathbf{q}  — тепловий потік, T — температура,  \nabla  — оператор Гамільтона набла, яким позначається градієнт.

Коефіцієнт теплопровідності вимірюється у Вт/(мK) або Вт•м−1•K−1.

Докладніше: Теплопровідність

Температуропровідність (коефіцієнт температуропровідності) — фізична величина, що характеризує швидкість зміни (вирівнювання) температури речовини у нерівноважних теплових процесах. Чисельно дорівнює частці від ділення коефіцієнта теплопровідності тіла на добуток його питомої теплоємності та густини[1], в системі СІ вимірюється в м²/с.

\chi = \frac{\kappa}{c_p \rho}\,,

де \chi — температуропровідність, \kappa — коефіцієнт теплопровідності, c_p — ізобарна питома теплоємність, ρ — густина.

Температуропровідність і теплопровідність є двома з найважливіших термодинамічних параметрів речовин та матеріалів, оскільки вони описують процес переносу теплоти та зміну температури в них.

Від температури залежать також інші характеристики твердотільних матеріалів, зокрема механічні: пластичність, плинність, міцність, твердість.

Електричні та магнітні властивості[ред.ред. код]

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 електронною структурою. 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.

Феромагнетикам властиве існування спонтанного магнітного моменту.

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[ред.ред. код]

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[ред.ред. код]

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[ред.ред. код]

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 теорії пластичності[ред.ред. код]

У теорії пластичності моделі твердого тіла базуються на ідеалізації властивості деформаційного зміцнення або властивості плинності твердих тіл у напружено-деформованому стані.

У математиці[ред.ред. код]

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.

Докладніше: Геометричне тіло

Див. також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. ДСТУ 2821-94 Промислове електронагрівання. Терміни та визначення.

Джерела[ред.ред. код]

  • Яворський Б. М., Детлаф А. А., Лебедев А. К. Довідник з фізики для інженерів та студентів вищих навчальних закладів / Переклад з 8-го переробл. і випр. вид.. — Т.: Навчальна книга — Богдан, 2007. — 1040 с. — ISBN 966-692-818-3.
  • Давыдов А. С. Теория твердого тела. — М.: Наука, 1976. — 528 с.
  • Болеста І. М. Фізика твердого тіла [Текст] : навч. посіб. для студ. фіз. спец. вищ. навч. закл.. — Л.: Видавничий центр ЛНУ ім. Івана Франка, 2003. — 479 с. — ISBN 966-6132-01-X.
  • Пінкевич П. І., Сугаков В. Й. Теорія твердого тіла: навч. посіб. для студ. фіз. спец. ун-тів. — К.: ВПЦ «Київський університет», 2006. — 333 с. — ISBN 966-594-719-2.
  • Бібик В. В., Гричановська Т. М., Однодворець Л. В., Шумакова Н. І. Фізика твердого тіла : навч. посіб. — Суми: Сум. держ. ун-т, 2009. — 200 с.
  • Шевченко С. И. Физика твёрдого тела: учеб. пособие : в 2 ч.. — Х.: НТУ «ХПИ», 2012. — 102 с. — ISBN 978-617-05-0000-7 (ч. 1).
  • Фістуль В. И. Физика и химия твердого тела [Текст] : в 2 т.: Учебник для студ. вузов обуч. по спец. «Материаловедение и технология новых материалов». — М.: Металлургия, 1995. — 480+320 с. — ISBN 5-229-00194-7; 5-229-01195-5.
  • Колтунов М. А., Кравчук А. С., Майборода В. П. Прикладная механика деформируемого твердого тела: Учеб. пособие для студентов вузов.. — М.: Высшая школа, 1983. — 349 с.

Посилання[ред.ред. код]