Pevné těleso je jedním ze čtyř základních agregovaných stavů hmoty , které se od ostatních agregovaných stavů ( kapaliny , plyny , plazma ) liší stabilitou svého tvaru a povahou tepelného pohybu atomů , které kolem rovnovážných poloh vytvářejí drobné vibrace . 1] .
Rozlišujte mezi krystalickými a amorfními pevnými látkami. Obor fyziky , který studuje složení a vnitřní strukturu pevných látek, se nazývá fyzika pevných látek . Způsob, jakým tuhé těleso při nárazu a pohybu mění tvar, studuje samostatná disciplína - mechanika pevných (deformovatelných) těles . Pohybem absolutně tuhého tělesa se zabývá třetí věda - kinematika tuhého tělesa .
Umělá technická zařízení využívají různé vlastnosti pevného tělesa. V minulosti se jako konstrukční materiál používalo pevné těleso a jeho použití bylo založeno na přímo hmatatelných mechanických vlastnostech jako je tvrdost , hmotnost , plasticita , pružnost , křehkost . V moderním světě je použití pevného tělesa také založeno na fyzikálních vlastnostech, které se často nacházejí pouze v laboratorních studiích.
Pevné látky mohou být v krystalickém a amorfním stavu. Krystaly se vyznačují prostorovou periodicitou v uspořádání rovnovážných poloh atomů [1] , které je dosaženo přítomností dalekonosného řádu [2] a nazývá se krystalová mřížka . Přirozenou formou krystalů jsou pravidelné mnohostěny [3] . V amorfních tělesech atomy kmitají kolem náhodně umístěných bodů [1] , postrádají řád na dlouhé vzdálenosti, ale je zachován řád na krátké vzdálenosti , ve kterém jsou molekuly uspořádány koordinovaně ve vzdálenosti srovnatelné s jejich velikostí. Zvláštním případem amorfního stavu je sklovitý stav [2] . Podle klasických koncepcí je stabilní stav (s minimem potenciální energie ) pevného tělesa krystalický. Amorfní těleso je v metastabilním stavu a musí časem přejít do krystalického stavu, ale doba krystalizace je často tak dlouhá, že se metastabilita vůbec neprojeví. Amorfní těleso lze považovat za kapalinu s velmi vysokou (často nekonečně vysokou) viskozitou [2] .
Vlastnosti pevného tělesa a pohyb částic v něm jsou studovány v sekci fyziky , která se nazývá fyzika pevných látek (podsekce fyziky kondenzovaných látek ). Fyzika pevných látek je samostatná vědní disciplína se specifickými výzkumnými metodami a matematickým aparátem. Jeho vývoj je dán praktickými potřebami [2] . V závislosti na předmětu studia se fyzika pevných látek dělí na fyziku kovů , polovodičů , magnetů a další. Podle výzkumných metod se rozlišuje rentgenová strukturní analýza , radiová spektroskopie a podobně. Kromě toho existuje dělení spojené se studiem určitých vlastností (mechanických, tepelných a tak dále) [1] [2] .
Nauka o materiálech se zabývá především otázkami souvisejícími s vlastnostmi pevných látek, jako je tvrdost , pevnost v tahu , odolnost materiálu vůči zatížení a také fázové přeměny. To se do značné míry shoduje s otázkami studovanými fyzikou pevných látek. Chemie pevných látek pokrývá problematiku uvažovanou oběma těmito obory znalostí, ale dotýká se zejména problematiky syntézy nových materiálů.
Elektrické a některé další vlastnosti pevných látek jsou dány především povahou pohybu vnějších elektronů jejích atomů [1] . Existuje pět tříd pevných látek v závislosti na typu vazby mezi atomy [2] :
Podle typu pásové struktury se pevné látky dělí na vodiče , polovodiče a dielektrika .
Podle magnetických vlastností se pevné látky dělí na diamagnety , paramagnety a tělesa s uspořádanou magnetickou strukturou [1] . Diamagnetické vlastnosti, které jsou slabě závislé na stavu agregace nebo teploty, se většinou překrývají s paramagnetickými, které jsou důsledkem orientace magnetických momentů atomů a vodivostních elektronů. Podle Curieho zákona klesá paramagnetická susceptibilita nepřímo s teplotou a při teplotě 300 K je obvykle 10 −5 . Paramagnety se s poklesem teploty přeměňují na feromagnetika , antiferomagnetika nebo ferimagnetika [2] .
Navzdory skutečnosti, že pevné látky (kovy, minerály) byly studovány již dlouhou dobu, začalo se v 17. století s komplexním studiem a systematizací informací o jejich vlastnostech. Od té doby byla objevena řada empirických zákonů , které popisují vliv mechanických sil na pevné těleso, změny teploty, světla, elektromagnetických polí atd. Byly formulovány následující:
Již v první polovině 19. století byla formulována hlavní ustanovení teorie pružnosti, která se vyznačuje myšlenkou pevného tělesa jako spojitého média .
Holistický pohled na krystalovou strukturu pevných látek jako na soubor atomů, jejichž uspořádané umístění v prostoru je zajištěno silami interakce, vytvořil Auguste Bravais v roce 1848, ačkoli první myšlenky tohoto druhu byly vyjádřeny již v pojednání Nicholase Stena (1669), Rene Just Gayuy (1784), Isaaca Newtona ve svém díle „ Matematické principy přírodní filozofie “ (1686), ve kterém byla vypočtena rychlost zvuku v řetězci elasticky vázaných částic, Daniel Bernoulli ( 1727), Augustin Louis Cauchy (1830) a další.
Když teplota stoupá, pevné látky se stávají kapalnými nebo plynnými. Přeměna pevné látky v kapalinu se nazývá tání a přechod do plynného skupenství, které obchází kapalinu, se nazývá sublimace . Přechodem do tuhého tělesa (s poklesem teploty) je krystalizace , do amorfní fáze - vitrifikace .
Existují také fázové přechody mezi pevnými fázemi, při kterých se vnitřní struktura pevných látek mění a stává se uspořádanou s poklesem teploty.
Při atmosférickém tlaku a teplotě T > 0 K všechny látky v přírodě tuhnou. Výjimkou je helium , pro jehož krystalizaci je potřeba tlak 24 atm [2] .
Pod fyzikálními vlastnostmi pevných látek se rozumí jejich specifické chování při působení určitých sil a polí. Existují tři hlavní způsoby ovlivňování pevných látek, které odpovídají třem hlavním typům energie: mechanické , tepelné a elektromagnetické . Podle toho existují tři hlavní skupiny fyzikálních vlastností.
Mechanické vlastnosti spojují mechanická napětí a deformace tělesa, podle výsledků rozsáhlých studií mechanických a reologických vlastností pevných látek, které provedla škola akademika P. A. Rebindera , lze rozdělit na elastické, pevnostní, reologické a technologické. Kromě toho, když kapaliny nebo plyny působí na pevné látky, projevují se jejich hydraulické a plynodynamické vlastnosti.
Tepelné vlastnosti jsou vlastnosti, které jsou ovlivněny tepelnými poli. Radiační vlastnosti, které se projevují, když je pevné těleso vystaveno proudům mikročástic nebo elektromagnetickým vlnám značné tuhosti (rentgenové záření, gama záření), lze podmíněně přičíst elektromagnetickým vlastnostem.
Nejlehčím známým pevným materiálem je aerogel . Některé typy aerogelů mají hustotu 1,9 mg /cm³ nebo 1,9 kg /m³ (1/530 hustoty vody).
V klidu si tělesa zachovávají svůj tvar, ale deformují se vlivem vnějších sil. V závislosti na velikosti působící síly může být deformace elastická, plastická nebo destruktivní. Při pružné deformaci se těleso po odstranění působících sil vrátí do původního tvaru. Odezva pevného tělesa na působící sílu je popsána moduly pružnosti . Charakteristickým rysem pevné látky ve srovnání s kapalinami a plyny je, že odolává nejen tahu a tlaku, ale také střihu , ohybu a kroucení .
Při plastické deformaci není zachován výchozí tvar. Charakter deformace závisí také na době, po kterou vnější síla působí. Pevné těleso se může při okamžitém působení deformovat pružně , ale plasticky, pokud vnější síly působí po dlouhou dobu. Toto chování se nazývá creep . Jednou z charakteristik deformace je tvrdost tělesa – schopnost odolávat pronikání jiných těles do něj.
Každé pevné těleso má svůj vlastní práh deformace , po kterém dochází k destrukci. Vlastnost pevného tělesa odolávat ničení se vyznačuje pevností . Při zlomení se objevují a šíří trhliny v pevném tělese , které nakonec vedou ke zlomenině.
Mezi mechanické vlastnosti pevné látky patří také její schopnost vést zvuk , což je vlna, která přenáší lokální deformaci z jednoho místa na druhé. Na rozdíl od kapalin a plynů se v pevném tělese mohou šířit nejen podélné zvukové vlny, ale i příčné, s čímž je spojena odolnost pevného tělesa vůči smykové deformaci. Rychlost zvuku v pevných látkách je obecně vyšší než v plynech, zejména ve vzduchu, protože meziatomová interakce je mnohem silnější. Rychlost zvuku v krystalických pevných látkách je charakterizována anizotropií , tedy závislostí na směru šíření.
Nejdůležitější tepelnou vlastností pevné látky je její bod tání , teplota, při které dochází k přechodu do kapalného stavu. Další důležitou charakteristikou tání je latentní teplo tání . Na rozdíl od krystalů dochází u amorfních pevných látek k přechodu do kapalného stavu s rostoucí teplotou postupně. Vyznačuje se teplotou skelného přechodu - teplotou, nad kterou materiál téměř úplně ztrácí svou elasticitu a stává se velmi plastickým.
Změna teploty způsobuje deformaci tuhého tělesa, hlavně zvýšení teploty vede k expanzi. Kvantitativně je charakterizován koeficientem tepelné roztažnosti . Tepelná kapacita pevné látky závisí na teplotě, zejména při nízkých teplotách, ale při pokojové teplotě a vyšší má mnoho pevných látek přibližně konstantní tepelnou kapacitu ( Dulong-Petitův zákon ). Přechod ke stabilní závislosti tepelné kapacity na teplotě nastává při Debyeově teplotní charakteristice každého materiálu . Na teplotě závisí i další vlastnosti pevných materiálů, zejména mechanických: plasticita, tekutost, pevnost, tvrdost.
Podle velikosti měrného odporu se pevné látky dělí na vodiče a dielektrika , mezi nimiž jsou polovodiče . Polovodiče mají nízkou elektrickou vodivost, ale mají tendenci se zvyšovat s teplotou. Elektrické vlastnosti pevných látek souvisí s jejich elektronovou strukturou. Dielektrika mají v energetickém spektru elektronů mezeru , která se v případě krystalických pevných látek nazývá pásmová mezera. Toto je rozsah energetických hodnot, které elektrony v pevné látce nemohou mít. V dielektrikách jsou všechny elektronické stavy pod mezerou vyplněny a díky Pauliho principu nemohou elektrony přecházet z jednoho stavu do druhého, což je důvodem nedostatečné vodivosti. Vodivost polovodičů je velmi závislá na nečistotách - akceptorech a donorech .
Existuje určitá třída pevných látek, které se vyznačují iontovou vodivostí . Tyto materiály se nazývají superionické . V podstatě se jedná o iontové krystaly , ve kterých se ionty jednoho typu mohou zcela volně pohybovat mezi neotřesitelnou mřížkou iontů jiného typu.
Při nízkých teplotách se některé pevné látky vyznačují supravodivostí – schopností vést elektrický proud bez odporu.
Existuje třída pevných látek, které mohou mít spontánní polarizaci – pyroelektrika . Pokud je tato vlastnost charakteristická pouze pro jednu z fází, která existuje v určitém teplotním rozsahu, pak se takové materiály nazývají feroelektrika . Piezoelektrika se vyznačuje silným vztahem mezi polarizací a mechanickým namáháním.
Feromagnetika se vyznačují existencí spontánního magnetického momentu .
Optické vlastnosti pevných látek jsou velmi rozmanité. Kovy obecně mají vysokou odrazivost světla ve viditelné oblasti spektra, mnoho dielektrik je průhledných, jako je sklo. Často je barva konkrétní pevné látky způsobena nečistotami absorbujícími světlo. Pro polovodiče a dielektrika je charakteristická fotovodivost - zvýšení elektrické vodivosti při osvětlení.
Pevné látky vyskytující se v přírodě se vyznačují obrovskou rozmanitostí vlastností, která neustále roste. V závislosti na úkolech přiřazených konkrétní vědě jsou důležité pouze určité vlastnosti pevného tělesa, jiné jsou nevýznamné. Například při studiu pevnosti oceli nemají její magnetické vlastnosti podstatný význam.
Pro usnadnění studia je skutečné tělo nahrazeno ideálním, zdůrazňujícím pouze ty nejdůležitější vlastnosti pro uvažovaný případ. Tento přístup, používaný mnoha vědami, se nazývá abstrakce . Po zvýraznění idealizovaného těla s určitým seznamem podstatných vlastností se buduje teorie. Spolehlivost takové teorie závisí na tom, jak úspěšně přijatá idealizace odráží základní charakteristiky objektu. To lze posoudit porovnáním výsledků studií získaných teoreticky na základě idealizovaného modelu a experimentálně.
V teoretické mechanice je idealizovaným schématem skutečného tuhého tělesa absolutně tuhé těleso, tedy takové, ve kterém jsou za každých okolností vzdálenosti mezi libovolnými body konstantní – nemění se ani velikost, ani tvar tělesa.
V teorii pružnosti a její aplikované aplikaci pevnosti jsou uvažovány i modely, které zohledňují a absolutizují jednotlivé vlastnosti pevného tělesa. Přijetí podmínek homogenity a spojitosti při malých deformacích tedy umožňuje aplikovat metody analýzy infinitezimálních veličin, což značně zjednodušuje konstrukci teorie odolnosti materiálů.
Také se věří, že vztah mezi napětími a napětími je lineární (viz Hookeův zákon ).
V teorii plasticity jsou modely pevného tělesa založeny na idealizaci vlastností deformačního zpevnění nebo vlastností tekutosti pevných látek ve stavu napětí-deformace .
| Termodynamické stavy látek | |||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Fázové stavy |
| ||||||||||||||||
| Fázové přechody |
| ||||||||||||||||
| Disperzní systémy | |||||||||||||||||
| viz také | |||||||||||||||||