Упругость и прочность

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КОСТРОМСКОЙ ОБЛАСТИ

Областное государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

«Костромской энергетический техникум имени Ф.В. Чижова»

Е.С.Дерябин

Студент группы 1-4 ГАЗ

Тема

"Аморфные вещества в природе, технике, быту "

Предмет

Химия

Преподователь: Ю.А.Зинихина

Твердые тела могут существовать в двух существенно различных состояниях, отличающихся своим внутренним строением, и, соответственно, свойствами. Это кристаллическое и аморфное состояние твердых тел монокристаллом или просто кристаллом. В других случаях тело представляет собой множество мелких кристалликов, причудливо сросшихся между собой, например, кусок рафинада. Такие тела называютполикристаллическими.

Наличие естественных граней у монокристаллов ведет к четко выраженному различию в физических свойствах тела по различным направлениям. Это может относиться к механической прочности, тепло- и электропроводности, упругости и т.д. Но не всегда все свойства зависят от направления - кубический кристалл меди обладает одинаковой электропроводностью по всем направлениям, но разной упругостью.

В поликристаллах принято говорить о средних значениях физических величин, поскольку вдоль любого выбранного направления найдутся отдельные кристаллы, как угодно ориентированные внутри тела.

Второй вид твердого состояния твердых тел - аморфное состояние. В этом состоянии невозможно обнаружить даже малые области, в которых наблюдалась бы зависимость физических свойств от направления. Некоторые вещества могут находиться в любом из этих двух состояний.

Например, если расплавить кристаллический кварц (температура плавления около 1700° С), то при охлаждении он образует плавленый кварц сдругими физическими свойствами,одинаковыми по всем направлениям. Аморфное состояние - неустойчивое состояние твердых тел. Будучи предоставлены сами себе, они стремятся со временем перейти в кристаллическую форму, хотя этот процесс может занимать годы и даже десятилетия.

Упругость и прочность

Если наблюдать деформации твердых тел, то можно заметить, что после снятия деформирующего воздействия некоторые тела при некорых условиях восстанавливают свою первоначальную плотность, а другие остаются в деформированном виде. Деформации, которые полностью исчезают с исчезновением деформирующего воздействия, называются упругими. Деформации, не исчезающие по снятии деформирующих сил, называют пластическими.

Строго говоря, если подвергать тело деформации достаточно долго, упругая деформация перейдет в пластическую. Соответственно, вещества, у которых это время перехода достаточно велико (например, годы) называют упругими веществами. Если же время перехода деформации от упругой к пластической составляет порядка секунд или долей секунд, то такие вещества называют пластичными.

Переход деформации от упругой к пластической зависит и от величины самой деформации. При некоторой величине деформации переход от упругости к пластичности осуществляется практически мгновенно. Это предел упругости. Чем выше температура, тем ниже предел упругости для данного вещества.

При упругой деформации деформирующая сила и величина деформации пропорциональны. Это закон Гука. Математически он выражается формулой:

F=k·DL=ES·DL/L,

где Е - модуль продольной упругости (модуль Юнга), S - площадь поперечного сечения, L - длина образца в нерастяженном состоянии, k=ES/L - жесткость тела.

Как правило, все виды деформации в твердом теле сводятся к двум - растяжению (или сжатию) или сдвигу.

Растяжение возникает при действии двух равных и противоположно направленных сил.

При одностороннем (продольном) растяжении тело удлиняется и несколько уменьшается в поперечных размерах. При одностороннем сжатии наоборот, тело расширяется в поперечнике.

Если ввести понятия относительного продольного растяжения или сжатия (e=DL/L), и нормального напряжения (s=F/S), то s=eE.

Изгиб - деформация, сводящаяся врастяжениям и сжатиям в различных частях тела. Если, например, изогнуть продольную металлическую пластину, то одна ее сторона растянется, а другая сожмется.

Сдвиг - деформация, обусловленная действием двух равных и противоположно направленных моментов сил. Сдвиг возникает, например, если к верхней части лежащего бруска приложена горизонтальная сила, перекашивающая брусок. При этом горизонтальные слои бруска сдвигаются относительно друг друга. При сдвиге:

DL=FL/(GS),

где G - модуль поперечной упругости (модуль сдвига). Особый случай сдвига - кручение. Это деформация, имеющая место в твердом теле, если оно находится под действием двух противоположно направленных моментов, приложенных к противоположным концам тела.

Всякое жидкое вещество при охлаждении теряет свойство текучести и переходит в твердое состояние. Известны два различных вида затвердевания:

1) кристаллизация вещества. В этом случае в жидкости, охлажденной до определенной температуры, появляются мельчайшие кристаллы, т. е. области упорядоченно расположенных и прочно связанных между собой частиц (молекул, атомов, ионов). Кристаллы являются центрами кристаллизации, которые при дальнейшем отводе теплоты от вещества разрастаются за счет присоединения к ним частиц из жидкой фазы и охватывают весь объем вещества;

2) затвердевание вследствие сравнительно быстрого повышения вязкости жидкости с понижением температуры. Известны две разновидности этого процесса. У некоторых веществ (воск, битум, смолы) кристаллизация совсем не наблюдается; они называются аморфными телами.

Другие вещества (стекло, например) способны кристаллизоваться, но вязкость у них быстро возрастает с понижением температуры, что затрудняет перемещение молекул, необходимое для формирования и роста кристаллов, и вещество успевает затвердевать до наступления кристаллизации. Такие вещества называются стеклообразными.

Таким образом, кристаллическими называют тела, в которых атомы и молекулы расположены в правильном геометрическом порядке, а аморфными - в которых атомы и молекулы расположены беспорядочно. Стеклообразные тела также относятся к разряду аморфных, так как внутри них нет кристаллов.

У некоторых стеклообразных веществ может очень медленно протекать процесс кристаллизации в твердом состоянии. Например, явление «расстекловывания» строительного стекла сопровождается его помутнением, минераловатных волокон - превращением их в порошок.

Процесс кристаллизации не совершается мгновенно, а требует определенного времени. Иногда одно и то же вещество может затвердевать как в кристаллической, так и в аморфной форме. Например, если расплавленный доменный шлак охлаждать медленно, то он затвердевает в кристаллической форме, а если охлаждать быстро, выливая расплав в холодную воду, то шлак затвердевает в аморфной форме. При быстром охлаждении (например, расплавленного кварца) может произойти затвердевание без кристаллизации с сохранением хаотического (неупорядоченного) расположения атомов. Так образуется аморфное вещество - в данном случае кварцевое стекло. При этом свойства материала существенно различаются.

Аморфные тела можно рассматривать как сильно охлажденные жидкости с очень высоким коэффициентом вязкости. У них наблюдаются слабо выраженные свойства текучести. Например, куски воска или битума, находящиеся в воронке, со временем принимают ее форму. Поэтому, строго говоря, твердыми следует называть только кристаллические тела.

Отсюда следуют основные различия в свойствах кристаллических и аморфных тел. Если наблюдать процесс плавления и затвердевания кристаллических и аморфных тел, то можно заметить, что кристаллические тела имеют точку плавления Гпл, при которой вещество находится в устойчивом состоянии в обеих фазах - в твердой и жидкой, аморфные же тела, постепенно размягчаясь при нагревании, не имеют определенной температуры, соответствующей переходу твердой фазы в жидкую (5). Участок АВ на кривой а соответствует процессу плавления кристаллического тела. На этом участке температура тела не изменяется, хотя теплота от нагревателя к нему по-прежнему подводится.

Установлено, что при температуре плавления внутренняя энергия Ux частиц кристаллов меньше внутренней энергии U2 расплава. Это значит, что при температуре плавления 7^ энергия упорядоченного движения частиц в кристалле меньше энергии теплового движения частиц в расплаве. Поэтому, для того чтобы перевести в жидкое состояние кристаллическое вещество при температуре плавления, нужно сообщить ему дополнительно энергию AU = U2 - U\. Увеличение внутренней энергии происходит за счет передачи кристаллу некоторого количества теплоты.

Теплота, затрачиваемая на переход единицы массы вещества из кристаллического состояния в жидкое при температуре плавления, называется удельной теплотой плавления

Обратный процесс - кристаллизация - может происходить только в случае, если от системы (жидкая фаза - кристалл) отводится энергия, так как при кристаллизации выделяется такое же количество теплоты Q, какое было поглощено при плавлении данного кристаллического тела.

На графике для аморфных тел нет горизонтального участка, а наблюдается лишь точка перегиба С. Температура, соответствующая этой точке, условно называется температурой размягчения аморфного тела. Удельная теплота плавления у аморфных тел отсутствует, подвод теплоты сопровождается плавным повышением температуры, постепенным увеличением энергии теплового движения молекул, что соответствует повышению текучести жидкости и уменьшению ее вязкости.

Таким образом, с энергетической стороны имеет место принципиальное различие между кристаллическими и аморфными телами, состоящее в том, что процесс плавления и затвердевания кристаллических тел сопровождается определенным тепловым эффектом. У аморфных же тел этого теплового эффекта нет.

Различие в строении кристаллических и аморфных веществ определяет и различие в их свойствах. Так, аморфные вещества, обладая большим запасом свободной энергии, химически более активны, чем кристаллические вещества такого же состава. Например, расплав доменного шлака, используемый для получения шлакопортландцемента, охлаждают по специальному ускоренному режиму для получения гранулированного шлака стеклообразного строения, обладающего повышенной химической активностью. Аморфное строение имеют горные породы, применяемые в качестве активных минеральных добавок к цементам (туфы, пемзы, опоки, трепелы, диатомиты), смолы, пластмассы и др.

Большая реакционная способность аморфного кремнезема, как будет показано ниже, может вызывать законную тревогу у строителя (вследствие коррозии в щелочах) и использоваться для пользы дела, например в случае применения трепела в гип-соцементнопуццолановых вяжущих.

Прочность аморфных веществ, как правило, ниже прочности кристаллических, поэтому для получения материалов повышенной прочности специально проводят кристаллизацию стекол, например при получении ситаллов и шлакоситаллов, стекло-кремнезита.

Физические свойства твердого тела можно разделить на две категории: одна из них включает такие свойства, как плотность, удельная теплоемкость, которые не связаны с выбором какого-либо направления внутри твердого тела; свойства же другой категории - механическая прочность, модуль деформаций, термический коэффициент расширения, коэффициент теплопроводности и другие - могут быть различными для разных направлений в твердом теле.

Изотропией называют независимость определенных физических свойств твердого тела от направления. Напротив, под анизотропией понимают зависимость свойств макроскопически однородного тела от направления по отношению к осям координат, связанным с самим телом. Волокнистые и слоистые материалы, древесина обладают различными свойствами в различных направлениях, т. е. являются анизотропными. Напротив, жидкости и материалы в аморфном состоянии обладают одинаковыми свойствами во всех направлениях как изотропные материалы, например стекло. Кристаллические вещества в микрообъеме анизотропны (например, кварц), в макрообъеме - изотропны (например, гранит).