Курс агульнай фізікі
Цеплыня і малекулярная фізіка: Вучэб. дапам.
Выдавец: Вышэйшая школа
Памер: 232с.
Мінск 1994
Залсжнасць мсханічных уласцівасцсй цвёрдых цсл ад стану крышталя дазваляс кіраваць мсханічнымі ўласцівасцямі шляхам іх апрацоўкі. Напрыклад, спсцыяльна апрацаваная сталь вытрымлівас нагрузкі ад 3 да 5 ГПа, а звычайная сталь таго ж хімічнага складу — нс больш за (400—500) МПа.
G.
Мяжа трыВаласці
МЯжа цякучасці
О В
] Мяжа
/ пругкасці
/
Рыс. 8.10.
р ДІ
Табліца 8.2
Крышталі
Мяжа трываласці, МПа
Ііругкая дэфар.мацыя, %
Пластычііая дэфармацыя, %
Ідэалыіыя
(1,5—2) • 104
1 — 15
0
Рэальныя (мсталы)
1—10
10*2
10—100
Пругкія ўласцівасці ізатропных цел (у прыватнасці, полікрышталёў) апісваюцца дзвюма велічынямі — модулем Юнга Е і каэфіцыснтам Пуасона %. Гэтыя вслічыні характарызуюць рэакцыю на расцягнсннс (сцісканнс) узору ў выглядзс аднароднага стрыжня. Для сталі і коўкага жалеза Е = 206 ГПа. 3 умовы ўстойлівасці нсдэфармаванага стану вынікас, што Е > 0, a —1 < у < 1/2. Аднак у прыродзс нс выяўлсны цслы з адмоўным каэфіцыснтам Пуасона.
Модуль Юнга і каэфіцыснт Пуасона вызначаюць хуткасць распаўсюджвання гукавых хваль у ізатропным цслс:
£(1 ~ /) Р(1 +у)(1 — 2у)
Е 2р (1 + а)
дзс і г?| । — хуткасці распаўсюджвання папярочнай і падоўжнай гукавых хваль адпавсдна; р — шчыльнасць цсла.
Всданнс сувязі паміж дэфармацыямі і напружаннямі дазваляс вырашаць канкрэтныя практычныя задачы аб размсркаванні напружанняў і дэфармацый у цслах, адрозніваць іх формы (бэлькі, пласціны, абалонкі і да т. п.) пры разнастайных нагрузках (выгінаннс, кручэннс).
8.5. Паняцце аб вадкіх крышталях
Рэчыва можа існаваць у чатырох станах: цвёрдым, вадкім, газападобным і плазмснным. Аднак нскаторыя арганічныя матэрыялы псраходзяць з цвёрдага стану ў вадкасць нс адразу, а звсдваюць шэраг псраходаў, якія ўключаюць новыя фазы. У іх у пэўным інтэрвалс тэмпсратур праяўлясцца анізатрапія фізічных уласцівасцсй. Такія рэчывы называюць вадкімі крышталямі (мезаморфнымі фазамі, ад грэч. «мсзас», што азначас «прамсжкавы»). Гэтыя фазы ўзнікаюць у асноўным у тых арганічных злучэннях, малскулы якіх маюць падоўжаную палачкападобную форму. Яны ўтвараюцца нс толькі пры награванні пэўных арганічных рэчываў, алс і пры растварэнні нскаторых злучэнняў, напрыклад, алсату калію ў сумссі вады і спірту. Разглсдзім, чым адрозніваюцца вадкія крышталі ад вадкасці. У крыш-
талі малскулы, атамы або іоны размяшчаюцца ў вузлах прасторавай рашоткі. У вадкасці часцінкі ў гэтым сэнсс нс ўпарадкаваныя. Найбольш відавочная розніца мсханічных уласцівасцсй крышталёў і вадкасцсй заключасцца ў наступным: вадкасць лёгка цячэ. Вадкія крышталі знаходзяцца ў пэўным інтарвалс тэмпсратур. Напрыклад, параазоксіанізол валодас ўласцівасцямі вадкіх крышталёў у тэмпературным інтэрвалс 114—135 °C; дыбснзальбснзідзін — 234—260, этылавы эфір азоксібензойнай кіслаты — 100—120 °C і г. д. Пры больш нізкіх тэмпсратурах рэчыва псратварасцца ў цвёрды крышталь, пры больш высокіх — у звычайную ізатропную вадкасць.
Адрозніваюць тры тыпы вадкіх крышталёў: нсматычныя, халсстэрычныя і смяктычныя.
У нскаторых вадкіх крышталях можна назіраць пад мікраскопам наяўнасць мікраструктур у выглядзс нітак, канцы якіх свабодныя або звязаныя са сцснкай ёмістасці, у якой знаходзіцца даслсдусмас рэчыва. Такія рэчывы адносяцца да групы нематычных вадкіх крышталёў або нсматыкаў (ад грэч. «нсма» — нітка). Арыснтацыя воссй малскул у гэтых крышталях паралсльная, аднак яны нс ўтвараюць асобныя пласты. Доўгія восі малскул ляжаць уздоўж ліній, паралсльных пэўнаму напрамку. На рыс. 8.11 схсматычна паказана будова нсматычнага вадкага крышталя. Цэнтры мас малскул размсшчаны хаатычна. Далёкі парадак назіраецца толькі ў дачынснні да арыснтацыі малскул.
Другую групу вадкіх крышталёў, якія адрозніваюцца сваімі фізічнымі і псрш за ўсё аптычнымі ўласцівасцямі, складаюць халестэрычныя вадкія крышталі — халестэрыкі. Да іх налсжаць галоўным чынам вытворныя халсстэрыну. Сам халсстэрын нс мас мсзаморфнай фазы. Будова халсстэрычных вадкіх крышталёў крыху адрознівасцца ад нсматычных. У халсстэрычных вадкіх крышталях малскулы размсшчаны ў пластах. Аднак доўгія восі малскул паралсльныя плоскасці пластоў, а іх размяшчэннс ў мсжах пласта нагадвас нсматычныя вадкія крышталі. Пласты ў халсстэрычных вадкіх крышталях з’яўляюцца монамалскулярнымі (пласт таўшчынёй у адну малекулу). Монамалскулярныя пласты маюць аналагічнас размяшчэннс малскул з той розніцай, што пры псраходзс ад пласта да пласта напрамак псраважнай арыснтацыі доўгіх восяў малскул паварочвасцца на нсвялікі вугал і тым самым
Рыс. 8.1!
Рыс. 8.12.
ІІІІІІІІІІІІІ ///////////
ШМШ///////////
ІІІІІІІІІІІІІ//ЖГ
Рыс. 8.13.
малскуламі ў асобным пласцс
апісвас спіраль. На рыс. 8.12 паказаны схсматычны відарыс будовы халсстэрычнага вадкага крышталя. Спіраль або, як яс называюць, псрыядычная рашотка халсстэрычнага вадкага крышталя дзіўная тым, што выразнас чаргаваннс ў ёй датычыць толькі арыентацыі малскул. Паводзіны ж малскул у нсматычным пласцс значна больш свабодныя. Яны могуць псрамяшчацца, мяняцца, г. зн. халсстэрычная вадкасць можа цячы ўздоўж пластоў, але спіраль пры гэтым захоўваецца.
Трэцюю групу складаюць смяктычпыя вадкія крышталі. Яны ўпсршыню былі выяўлсны ў мылс (ад грэч. «смсгма» — мыла). У такіх крышталях выцягнутыя малскулы размсшчаны паралсльна і ўтвараюць смяктычныя монамалскулярныя пласты (рыс. 8.13). Як відаць з рысунка, гэтыя пласты ляжаць адзін над другім на аднолькавай адлсгласці, яны рухомыя, лёгка псрамяшчаюцца паралсльна адзін аднаму. Тэмпсратура фазавага псраходу ў мсзаморфны стан павінна быць дастаткова высокай, каб парушыць сувязь паміж радамі, але не парушыць яс паміж малскуламі, размсшчанымі на блізкай адлсгласці. Калі сувязь паміж парушана, то рэчыва ў мсжах пласта
паводзіць сябс як двухмсрная вадкасць. Па мсры памяншэння тэмпсратуры ўпарадкаваннс малекул пласта павялічвасцца. Пры дастаткова нізкіх тэмпсратурах назіраецца ўпарадкаваннс не толькі малскул у пластах, алс і саміх пластоў. Пры далейшым паніжэнні тэмпсратуры вадкасць у мсзаморфнай фазс можа ператварыцца ў цвёрдас крышталічнас цсла.
Існус нскалькі тыпаў смяктычных вадкіх крышталёў, алс ўсс яны маюць агульную рысу — наяўнасць смяктычных плоскасцсй (пластоў). Такім чынам, мы бачым, што ў напрамку, псрпсндыкулярным плоскасці пластоў, ёсць упарадкаванасць, як і ў цвёрдым крышталі. Таму смяктычныя вадкія крышталі можна называць цвёрдымі крышталямі ў адным напрамку. Калі параўнаць смяктычныя, нсматычныя і халсстэрычныя вадкія крышталі, то самая большая ўпарадкаванасць назірасцца ў смяктычных крышталях. Таму нс дзіўна, што смяктычная фаза па тэмпсратурнай шкалс суседнічас з цвёрдым крышталём.
Вадкія крышталі па ступсні малскулярнай упарадкаванасці займаюць прамсжкавас становішча паміж цвёрдымі крышталямі і ізатропнымі вадкасцямі. Смяктычная фаза мас больш высокую ступснь парадку ў параўнанні з нсматычнай. Гэта, відаць, тлумачыцца тым, што размсркаваннс цэнтраў малскулярнага ўзасмадзсяння ў малскулах нсматычных вадкіх крышталёў больш раўнамсрнас па іх даўжыні.
Адно і тос ж рэчыва можа пачаргова знаходзіцца ў дзвюх мсзаморфных фазах. Пры гэтых тэмпсратурны інтэрвал смяктычнага стану
ляжыць ніжэй за інтэрвал нематычнай фазы. Фазавыя псраходы ў вадкіх крышталях заўсёды адбываюцца ў пэўным парадку: 1) цвёрдакрышталічная фаза смяктычная нсматычная^ ізатропна-вадкая; 2) цвёрдакрышталічная 2 смяктычная $ ізатропна-вадкая. У пунктах псраходу мас мссца скачкападобнас змянсннс ступені ўпарадкаванасці і адбывасцца фазавы псраход псршага роду.
Разглсдзім нскаторыя агульныя ўласцівасці вадкіх крышталёў. Папсршас, усе тыпы гэтых крышталёў валодаюць двайным прамснспраламлсннсм святла. Пры дапамозс двухпрамснспраламлсння можна ідэнтыфікаваць мсзаморфны стан. Па-другос, для халсстэрычных вадкіх крышталёў характэрна вярчэннс плоскасці палярызацыі. Такую ўласцівасць праяўляюць нскаторыя цвёрдыя крышталі і растворы аптычна актыўных рэчываў (напрыклад, цукры). Па-трэцяс, наяўнасць у вадкіх крышталях далёкага парадку ў арыснтацыі малскул выклікас анізатрапію элсктрычных і магнітных уласцівасцсй, у адрознсннс ад цвёрдых цсл сілы міжмалскулярнага ўзасмадзсяння тут значна слабсйшыя. Па-чацвёртас, змянсннс структуры вадкіх крышталёў залсжыць ад нязначных тэмпсратурных хістанняў або мсханічных уздзсянняў на іх. Пры гэтым адбывасцца змянсннс іх аптычных уласцівасцсй (змянсннс ступсні прапускання і адбіцця святла, кругавога дыхраізму, двухпрамснспраламлсння, аптычнай актыўнасці і афарбоўкі).
Такім чынам, трэба адзначыць, што характэрнай асаблівасцю рэчываў, якія знаходзяцца ў вадка-крышталічным станс, з’яўлясцца тос, што ў пэўным інтэрвалс тэмпсратур для іх адначасова характэрны і ўласцівасці вадкасцсй (вялікая цякучасць, здольнасць знаходзіцца ў кроплспадобным станс, Зліццс кропсль пры судакрананні і інш.) і цвёрдых крышталічных цсл (анізатрапія). Многія фізічныя ўласцівасці вадкіх крышталёў лёгка паддаюцца кіраванню, асабліва гэта датычыць халсстэрычных крышталёў. Таму яны шырока выкарыстоўваюцца ў розных галінах тэхнікі, біялогіі, мсдыцыны і г. д.
8.6. Цеплавое пашырэнне цвёрдых цел
Цвёрдыя цслы, як вядома, пры награванні пашыраюцца. Колькасна цсплавое пашырэннс апісвасцца формулай
I = /0(1 + а\Т),
дзс I — лінсйныя памсры цсла ў залсжным напрамку пры тэмпсратуры Т; /0 — тыя ж памсры пры тэмпсратуры, прынятай за пачатак адліку; КТ — розніца тэмпсратур; a — каэфіцыснт лінсйнага пашырэння.
Калі цсла з’яўлясцца полікрышталём, тоаналагічная формула справядлівая для аб’ёмнага пашырэння цсла
V = vo(l + [^T),
дзе Р = За — каэфіцыснт аб’ёмнага пашырэння.
Прычыну цсплавога пашырэння цвёрдых цсл натуральна шукаць у цсплавым руху іх атамаў. Павышэннс тэмпсратуры прыводзіць да
павслічэння энсргіі цсплавога руху, г. зн. цсплавых хістанняў атамаў
у рашотцы цвёрдага цела. Пры гэтым, згодна з класічнымі ўяўлсннямі, узрастас амплітуда цсплавых хістанняў. Аднак гэта нс можа вытлумачыпь з’яву цсплавога пашырэння цвёрдых цсл.
Неабходна прыняць пад увагу характар сіл, якія дзсйнічаюць паміж
атамамі. Хны абумоўліваюць хістанні атамаў каля становішча раўнавагі.
Калі б усс гэтыя сілы былі
квазіпруткімі, г. зн. прапарцыйнымі змяшчэнню атамаў са становішча раўнавагі, то цсплавой раўнавагі нс было б. У сапраўднасці гэтыя сілы ангарманічныя. Гэта і абумоўлівас цсплавос пашырэннс. Разглсдзім змянсннс крывой патэнцыяльнай энсргіі Ер у залсжнасці ад адлсгласці г паміж часцінкамі (атамамі, малскуламі або іонамі) у цвёрдым цслс і параўнасм яс з крывой сілы ўзасмадзсяння дзвюх часцінак F (рыс. 8.14). У выпадку раўнавагі (адлегласць г0) сілы прыцягнення і сілы адштурхоўвання роўныя паміж сабой. Стан часцінкі (або цэнтр хістанняў) адпавядае мінімуму патэнцыяльнай энсргіі. Крывая Ер (г) асімстрычная адносна мінімуму. Па гэтай прычынс хістанні часцінак у вузлах крышталічнай рашоткі будуць мсць ангарманічны характар. Пры пэўнай тэмпсратуры
КНІГІ ОНЛАЙН
