13.12.2021г. ГРУППА 401. ФИЗИКА. ТЕМА.

Упругие свойства твердых тел. Плавление. Кристаллизация.  Упругость — свойство восстанавливать форму тела после прекращения воздействия других тел или полей. Деформация — изменение формы и размеров твердых тел под действием внешних сил. Деформации могут быть упругими и пластичными. Упругая деформация — деформация, при которой после прекращения действия внешних сил тело восстанавливает прежние размеры и форму. Пластическая (остаточная) деформация — деформация, которая не исчезает в теле после прекращения действия внешних сил. Все виды возможных деформаций (растяжение или сжатие, сдвиг, изгиб, кручение) могут быть сведены к двум одновременно происходящим деформациям — растяжению (или сжатию) и сдвигу. Относительная деформация — мера деформации, равная отношению абсолютной деформации ∆х к первоначальному значению величины х, характеризующей размеры и форму тела. Если к концам стержня (рис. 3.14) с площадью поперечного сечения S приложены направленные вдоль его оси внешние силы Fj и Р2 (Fj = F2 = F), то длина стержня I получит положительное (при растягивании) или отрицательное (при сжатии) приращение ∆l, принятое называть абсолютным удлинением. Изменение длины стержня сопровождается изменением диаметра d стержня, причем при растяжении ∆l > О, ∆d < 0, при сжатии — ∆l < 0, ∆d > 0. Рис. 3.14 Относительное удлинение (сжатие) — это отношение абсолютного удлинения к начальной длине I тела: Сила упругости Fynp — сила, возникающая при деформации тела и направленная в сторону, противоположную перемещению частиц при деформации. Напряжение σ— физическая величина, равная по модулю силе упругости, действующей на единицу площади поперечного сечения тела: Закон Гука:где Е — модуль Юнга (модуль Юнга равен напряжению, когда относительное удлинение равно единице, т. е. при έ = 1 получаем σ = Е).Закон Гука справедлив только для упругих деформаций, исчезающих после прекращения действия сил.Закон Гука можно представить в виде: в пределах упругой деформации напряжение прямо пропорционально относительной деформации: Сопоставив данное выражение с формулой закона Гука F = = -кх, где к — жесткость тела, получим: В зависимости от условий внешнего воздействия различают несколько видов деформации. В теории упругости доказывается, что все виды деформаций (растяжение или сжатие, сдвиг, изгиб, кручение) могут быть сведены к одновременно происходящим деформациям растяжения или сжатия и сдвига. Деформация (растяжения) сжатия возникает (рис. 3.15, а), если к концам стержня длиной I и площадью поперечного сечения S прикладываются направленные вдоль его оси силы F] и F2 (Fj = F2 = F), в результате чего длина стержня меняется на величину ∆l/. Деформацию сдвига проще всего осуществить, если взять брусок и приложить к нему силу F (рис. 3.15,6), касательную к его поверхности (нижняя часть бруска закреплена неподвижно). Относительная деформация сдвига определяется из формулы: где  ∆l — абсолютный сдвиг параллельных слоев тела относительно друг друга; у — расстояние между слоями (при малых углах имеет место tgy ~ у). Деформация изгиба характеризуется искривлением оси или срединной поверхности деформируемого тела (балка, стержень) под действием внешних сил (рис. 3.15, в). Если на середину прямого упругого стержня, свободно наложенного на твердые опорные призмы, действует сила F (рис. 3.15, в), то стержень изгибается. При таком изгибе верхние слои сжимаются, нижние — растягиваются, а некоторый   средний слой, который называют нейтральным, сохраняет длину и только претерпевает искривление. Деформация кручения характеризуется взаимным поворотом поперечных сечений стержня под влиянием пар сил, действующих в плоскости этих сечений (рис. 3.15, г). Предел прочности материала  σпред — предельное напряжение, при котором тело начинает разрушаться. Запас прочности — скалярная величина, равная отношению предельного напряжения σпред  к допустимому    σдоп: Связь между напряжением σ и деформацией  представляют в виде диаграмм напряжений (рис. 3.16). Рис. 3.1 б

Плавление и кристаллизация

Переход вещества из твёрдого состояния в жидкое называют плавлением.

Температуру, при которой вещество плавится, называют температурой плавления.

Кристаллизация — это процесс выстраивания атомов и молекул в жесткую кристаллическую решетку с хорошо определенной энергетически устойчивой структурой.

 Плавление, кристаллизация и температура плавления

Переход вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением, а переход из жидкого состояния в твердое — отвердеванием или кристаллизацией.

При плавлении твердого вещества увеличиваются расстояния между частицами, образующими кристаллическую решетку, и происходит разрушение самой решетки. Это означает, что в процессе плавления увеличивается молекулярно-потенциальная энергия вещества. Таким образом, плавление вещества самопроизвольно происходить не может, так как на этот процесс необходимо затрачивать энергию.

При кристаллизации происходит сближение частиц, которые образуют решетку, а их потенциальная энергия уменьшается. Следовательно, кристаллизация может происходить только тогда, когда жидкость отдает свою энергию каким-либо внешним телам.

 

      Итак, единица массы жидкого вещества обладает большей внутренней энергией, чем единица массы того же вещества в твердом состоянии, даже если их температура одинакова.

Область, в которой вещество однородно по всем физическим и химическим свойствам, называется фазой состояния этого вещества. Отметим, что твердая и жидкая фазы вещества при одинаковой температуре могут оставаться в равновесии сколь угодно долго, если твердая фаза не сможет получить энергию, а жидкая — ее отдать. Например, лед может долго плавать в воде, если температура всех окружающих тел будет одинакова и равна 0°С.

Пусть имеется только твердая фаза вещества, которая получает энергию от других тел. Тогда сначала будет возрастать и молекулярно-потенциальная и молекулярно-кинетическая энергии этого вещества, так как и расстояния между частицами в кристаллической решетке и скорости их движения будут увеличиваться. Затем, при определенной температуре, начнется разрушение кристаллической решетки. Пока все вещество не расплавится, его температура остается неизменной, а вся получаемая веществом энергия идет только на работу по преодолению сил молекулярного сцепления. Когда останется только жидкая фаза, то, продолжая получать энергию, она будет уже нагреваться, т. е. начнет возрастать ее молекулярно-кинетическая энергия.

Если жидкая фаза будет отдавать свою энергию окружающим телам, то все описанные процессы повторятся в обратном порядке. 

 

 ЗЗАДАНИЕ

 

1.