Здравствуйте, уважаемые обучающиеся. И так мы с вами завершили изучение свойств жидкостей и теперь переходим к последнему разделу молекулярной физики - свойству твердых тел.
Но прежде чем переходит к изучению нового раздела давайте вспомним темы, которые мы с вами прошли при изучении жидкостей в молекулярной физике, и так мы с вами прошли следующие темы: поверхностная энергия и коэффициент поверхностного натяжения, порешали простейшие задачи на поверхностное натяжение, далее прошли смачивание и капиллярные явления, порешали на двух лекциях задачи на поверхностное натяжение (1 часть, 2 часть), следующей темой была давление под искривленной поверхностью жидкости и формула Лапласа, далее порешали задачи на давление Лапласа, посмотрели как проявляют себя поверхностные явления в природе, технике и быту, порешали задачи на капиллярные явления и закончили изучение раздела обобщенным решением задач по всей теме.
И так еще раз повторим, что мы с вами переходим к изучению свойства твердых тел.
И так мы все прекрасно знаем, что вещество может находится в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном.
В газообразном состоянии взаимодействием молекул можно пренебречь, если оно отсутствует вообще, если мы имеем дело с моделью, которое называется идеальным газом и свойства, которого мы хорошо изучили. Одно из свойств газа - это занимать весь предоставленный ему объем, потому что молекулы газа разлетаются в разные стороны и попадают во все уголки, которые предоставлены в всем объеме в котором этот газ находится.
У жидкостей, расстояние между молекулами порядка размеров самих молекул. Поэтому силы взаимодействия между молекулами начинают играть существенную роль. Это, значит, если мы попытаемся сблизить молекулы жидкости, то при этом возникнут мощные силы отталкивания и это это произойдет в следствии того, что жидкость практически не сжимается. Благодаря взаимодействию между молекулами если силы действующие на них немного увеличить, то при этом включатся силы притяжения и молекулы при этом не разлетятся, а останутся, как говорят физики, в конденсированной фазе, а раз так, то у жидкостей есть свой объем.
Однако, почти тоже самое можно сказать и о твердом теле. У твердого тела тоже есть свой объем и расстояние между молекулами твердого тела почти не отличаются от расстояния между молекулами жидкостей. А бывает даже так, что при плавлении твердого тела объем при этом уменьшается. Например, когда лед тает объем образовавшейся воды будет меньше, чем объем льда.
Но у жидкости, при этом нет своей формы, а у твердого тела она есть. С чем это связано? Давайте попробуем разобраться. Молекулы жидкости, так же как и молекулы твердого тела непрерывно хаотически при этом движутся и это движение имеет характер колебаний. Но, что такое колебания? Колебания - это движение вокруг какого-то положения устойчивого равновесия молекул. Т.е молекулу в жидкости можно представить, как молекулу, которая окружена окружающими молекулами и которая отталкивает их, если она к ним приближается в результате, которого появляется какое-то равновесие. Но из-за того, что кинетическая энергия молекул достаточно большая, оказывается, что из этого положения молекула может легко выскочить, а теперь скажите пожалуйста, а куда после этого молекуле деваться, если она выскочила из этого положения равновесия? Правильно, в соседнее положение равновесия. А что рождает эти положения равновесия? Окружающие молекулы. Т.е в следствии теплового движения каждая молекула жидкости, какое-то время, находится в некотором положении равновесия и это время называется "временем оседлой жизни", которое очень короткое у жидкости. Потом она (молекула) перескакивает в соседнее положение и в результате этого жидкость приобретает способность течь, т.е жидкость обладает текучестью.
А теперь давайте поговорим о том же самом, но на энергетическом языке. Что можно сказать о потенциальной энергии молекулы, находящейся в положении устойчивого равновесия? Она минимальна...и давайте представим себе такую механическую аналогию. У нас имеется сферическая чаша и мы в нее опустили шарик. понятно, что положение равновесия будет в самой нижней точке этой чаши. Эта чаша или ямка у физиков называется потенциальной ямой. Потенциальная яма - это область пространства, где потенциальная энергия минимальна. И точно так же как у шарика в чаще положение в середине - это положение внизу потенциальной ямы и точно так же у каждой молекулы жидкости и твердого тела тоже положение равновесия - это положение внутри потенциальной ямы. А дальше придется немного напрячь свою фантазию...Что создает для данной молекулы потенциальную яму, в которой она находится? Другие молекулы. И это молекулы тоже участвует в создании потенциальной ямы для соседних молекул. А теперь давайте представим себе, что кинетическая энергия для данной молекулы больше, чем глубина той потенциальной ямы в которой она оказалась. Что с ней произойдет? Она вылетит из этой потенциальной ямы. Но это значит, что она уйдя из этой потенциальной ямы разрушит потенциальную яму для той молекулы, которая была рядом. И в результате потенциальные ямы все время ненадолго в жидкости рождаются и тут же исчезают. Ненадолго...на время которое мы с вами назвали "временем оседлой жизни". А теперь давайте представим себе, что мы начали снижать температуру жидкости. Когда мы снижаем температуру жидкости кинетическая энергия молекул становится меньше и может сложится такая ситуация, что молекулы случайно могут образовать потенциальную яму. Т.е они располагаются вокруг молекулы каким-то данным образом и эта молекула в эту потенциальную яму попала, а выйти из нее не может. Значит, она замерла в этой потенциальной яме. И скажите пожалуйста такие условия одновременно выполняются для всех молекул, если у нас жидкость равномерно нагрета или только для данной молекулы? Для всех. Т.е при определенной кинетической энергии, а на макроскопической языке при определенной величине температуры могут сложится условия, когда для всех молекул жидкости одновременно появляется возможность "засесть" в потенциальных ямах, которые образуются другими молекулами. В таком случае, если все молекулы одинаковы, то, наверное, и свойства всех молекул одинаковы и потенциальные ямы, которые они могут создать друг для друга тоже будут одинаковыми, а это значит, что эти потенциальные ямы должны располагаться на одинаковых расстояниях друг от друга - рядами. Т.е структура, которая при этом образуется обладает пространственной периодичностью. И дайте, хотя бы возможность, образоваться небольшому количеству этих периодически расположенных потенциальных ям. И, оказывается, что это не всегда получается. Оказывается, существуют ситуации, когда мы можем жидкость охладить, а образование таких потенциальных ям, то есть образование периодической структуры молекул не происходит и такая жидкость называется переохлажденной жидкостью. Почему этого не происходит? Потому что нужен какой-то зародыш. Какой-то центр вокруг которого могли образоваться несколько близко расположенных периодических потенциальных ям. Т.е зародыш структуры, которая получила название кристаллическая структура. А те точки, где такая кристаллическая структура может возникать называются центрами кристаллизации. И если только появляются такие центра кристаллизации. Это могут быть пылинки, это могут быть трещинки на стенках сосудов в которых налита жидкость, происходит превращение жидкости в твердое кристаллическое тело. Такой процесс называется кристаллизацией. и давайте сформулируем строгое определение.
Кристаллизация - это процесс превращения жидкости в кристаллическое твердое тело.
И процесс кристаллизации становится возможным, тогда когда кинетическая энергия молекул меньше некоего порогового значения, зависящего от того какое это вещество. Но, ведь, кинетическая энергия - это то же самое, как мы знаем, что и температура. Только в других единицах. Следовательно кристаллизация начинается при строго определенной температуре. Как она называется? Такая температура называется температурой кристаллизации.
Температура кристаллизации - это температура, при которой происходит кристаллизация данного вещества.
А если мы с вами будем кристалл нагревать, давайте подумаем чем это может закончится? Допустим у нас есть кристалл...Каждый из атомов из молекул этого кристалла находятся в своей потенциальной яме и они расположены периодически. Можно представить себе такую модель...Мы же знаем как продают куриные яйца на рынке. Куриные яйца продают в латках и там ямки расположены периодически. И давайте представим себе, что мы в этот лоток поместили много шариков. Каждая ячейка в этом лотке - это потенциальная яма, для шарика (модели молекулы). И давайте мы сейчас с вами будет увеличивать кинетическую энергию этих шариков. Как это можно сделать? Мы будем трясти латок с яйцами все сильнее и сильнее из стороны в сторону и в определенный момент времени сразу во всех ячейках нашего лотка возникнут условия, при которых все шарики могут повылетать и в результате они покинут свои потенциальные ямы. Эта модель того, что происходит при нагревании металла. При нагревании металла разрушается кристаллическая структура и он начинает превращаться в жидкость. И происходит это точно при той же температуре, что и температура кристаллизации, но в этом случае такая температура называется температурой плавления и с этим мы с вами хорошо знакомы еще с прошлых наших лекций. И так температура кристаллизации равняется температуре плавления. Это характеристика вещества, например, олово плавится и кристаллизуется при температуре 232 градуса по Цельсию. Вода, при нуле градусов Цельсия. Вольфрам при температуре свыше 3300 градусов Цельсия.
А теперь давайте поговорим еще об одной важной величине, характеризующую этот процесс. Давайте представим себе, что у нас снова происходит охлаждение жидкости, это означает, что мы снижаем кинетическую энергию этой жидкости при этом появляется возможность образования потенциальных ям, которые периодически расположены в пространстве, которые образованы самими молекулами. Но, когда в эту потенциальную ямку проваливается молекула ее потенциальная энергия переходит в кинетическую, а раз так, то запаса кинетической энергии, даже при температуре кристаллизации достаточно, чтобы выскочить из этой потенциальной ямы. И получается так что кристаллизации при этом не произойдет, хотя температура при этом, достигла температуры кристаллизации. И нужно сделать так, что бы после того как молекула попала в свою потенциальную яму, чтобы она дальше не могла выйти. Как уменьшить эту энергию? Надо отобрать какое-то количество теплоты. Т.е в процессе кристаллизации, для того, что бы кристаллизация происходила необходимо отбирать от вещества от образующегося кристалла какое-то количество теплоты. Это количество теплоты, которое отдает кристаллизующаяся жидкость называется теплотой кристаллизации или ее еще иногда называют скрытой теплотой кристаллизации, потому что удивительно, что происходит...температура одна и та же, а тепло при этот отдается и отдается. по мере отдачи тепла все больше и больше вещества переходит из жидкого состояния в кристаллическое. И давайте поговорим об этом наглядно...
Удельная теплота кристаллизации (частный случай удельной теплоты фазового перехода) - это физическая величина равная количеству теплоты, которое выделяется при кристаллизации одного килограмма вещества.
Но так бывает, оказывается не со всеми веществами. Оказывается существуют вещества, которые при охлаждении не кристаллизуются и не образуют кристаллическую структуру. Такими веществами являются: стекло, каменноугольная смола, канифоль, янтарь. Они не кристаллизуются, а становятся все гуще, гуще и гуще и кристаллическая структура при этом в них не образуется. И такие вещества называются аморфными. Аморфные вещества - это по сути очень густые жидкости и густота их зависит от температуры. Если, мы начнем нагревать стекло, то оно не начнет растекаться при какой-то определенной температуре, оно начнет потихоньку становится более мягким. Если взять стеклянную палочку, то ее сначала можно медленно гнуть, потому что если мы начнем ее быстро сгибать, то мы сможем ее сломать - она может треснуть. Потом при более высокой температуре она позволяет гнуть себя все быстрее и быстрее, потом под действием силы тяжести она начнет капать. Стеклодувы этим свойством стекла пользуются, но при этом нет у него какой-то температуры плавления, потому что у стекла нет кристаллической решетки. В стекле отсутствует периодичность расположения атомов. Это аморфное вещество. Аморфное вещество в переводе означает "бесформенное". Есть еще один важный пример аморфных веществ - это полимеры. Полимеры не образуют кристаллов, потому что их молекулы очень длинные они перепутываются друг с другом так, что они потом не в состоянии потом выстроится рядами. И, кстати, оказывается, что очень даже можно наблюдать интересный эффект. Если мы возьмем струйку воды, текущую, например, из крана и выстрелим в нее пулей и сделаем очень быструю киносъемку или видеосъемку например со скоростью миллион кадров в секунду, то струйка воды при этом поведет себя очень интересно. После того как пуля достигает этой струи, струя трескается и трещины - осколки воды с заостренными концами начинают лететь во все стороны. Потому что мы попытались изменить форму жидкости очень быстро. Если у стекла попытаться изменить форму, то он треснет. Если это делать очень медленно, то этого не произойдет. Например, в старинных храмах внизу в витражах стекло немного толще, чем наверху. За столетия витражное стекло медленно стекает вниз. А здесь мы взяли жидкость, которую мы считаем, т.е мы привыкли, как к жидкости, воду и начинаем очень быстро менять ее форму. Она при этом начинает трескаться, как трескается стекло. Постепенно, через некоторое время эти осколки уже сглаживаются, края у них становятся не такими острыми и они постепенно начинают превращаться в капельки. Т.е что такое аморфное вещество? Аморфное вещество - это жидкость, но у молекулы этой жидкости "время оседлой жизни" очень велико. Оно может достигать долей и единиц секунд. Поэтому она почти не течет, но текучесть при этом все равно есть, просто, очень низкая.
Кристалл обладает свойством, которое называется симметрией. Что такое симметрия? Это свойство, которое состоит в том, что некое тело или некий объем совмещается сам с собой при определенных операциях. Эти операций называются преобразованием симметрии.
У кристалла первый вид симметрии, это так называемая, трансляционная симметрия. Что такое трансляция? Трансляция - это перенос на определенное расстояние, на определенное направление.
Базис - это минимальная совокупность атомов параллельным переносом, которой можно построить весь кристалл.
Из того, что молекулы в атоме или кристалле располагаются периодически вытекают и другие виды симметрии кристаллов. Кристаллы при этом имеют правильную форму, если, конечно, не мешать им свободно расти и дать заполняться слоям кристаллической решетки.
Кроме симметрии у кристаллов могут быть и плоскости симметрии. Что такое плоскость симметрии? Мы может отразить кристалл, расположенный в зеркале и он при этом совместиться сам с собой. И это так называемая, зеркальная симметрия.
Есть целая наука, которая изучает симметрию кристаллов - это наука кристаллография и в данном блоге в дальнейшем этой науке будет посвящен отдельный подробный курс, так как эта наука закладывает основы для таких важнейших дисциплин художественной обработки материалов, как материаловедения, так и строения минералов и вообще всех веществ имеющих кристаллическое строение.
Математический аппарат, который используется этой наукой очень сложен и называется теорией групп. Теория групп, как наука, изучает свойства симметрии всего. Как любая математическая дисциплина изучает свойства всего, так и теория групп, изучает свойства симметрии всего - симметрии кристаллов, симметрии преобразования в элементарных частицах и т.д.
И так мы поговорили о симметрии кристаллов. Теперь давайте поговорим о других свойствах кристаллов.
Анизотропия - это различие свойств объекта в различных направлениях.
Следующее свойство кристаллов, о котором мы поговорим будет полиморфизм.
Полиморфизм - это способность вещества существовать в различных состояниях
И в конце разговора о свойствах кристалла давайте вернемся к анизотропии. Мы показали анизотропию на примере механических свойств. но, оказывается, что у кристаллов различные и тепловые свойства в разных направлениях, и электрические свойства в разных направлениях и оптические свойства в разных направлениях. Т.е если мы говорим об анизотропии, то речь может идти о любых свойствах кристаллов, а не только механических.
И в конце давайте поговорим о том, как кристаллы могут расти. Мы в самом начале лекции говорили о том, что для того чтобы кристалл начал расти необходимо образование какого-то зародыша. И если этих зародышей нет, то жидкость может оказаться переохлажденной и кристалл расти не будет. И, кстати, раньше это очень легко было показать. Достаточно было пойти в фотомагазин и купить так такое вещество, как гипосульфит натрия (или тиосульфат натрия). Это одно и тоже вещество), которое плавится при небольшой температуре. И если это вещество расплавить, а потом медленно начать охлаждать, оно остынет до комнатной температуры при этом останется жидким. Но стоит только бросить в него маленький кристаллик кристаллического тиосульфата натрия, ту же на глазах начнется кристаллизация, температура при этом повысится в следствии выделения скрытой энергии кристаллизации до температуры кристаллизации. И пока весь тиосульфат натрия не превратится в кристалл температура будет держаться на определенном уровне. Почему началось образование кристалла? Потому что мы ввели зародыш.
А теперь давайте представим себе следующую ситуацию...допустим мы будем охлаждать кристалл медленно и кинетическая энергия молекул при этом станет достаточной для того, чтобы образовалась кристаллическая структура и при найденном где-то единственном зародыше, который начнет расти. Этот зародыш начнет расти медленно, потому что атомы должны подходить к граням кристалла и выстраивать кристаллическую решетку и на это требуется время. И постепенно, иногда, даже в течении недель вырастает один большой кристалл правильной формы.
И такой кристалл называется монокристаллом. А если мы жидкость охладим быстро, то зародыши кристалликов образуются сразу во многих местах, потому что резкое охлаждение способствует зарождению зародышей сразу в нескольких местах.
На этом мы эту лекцию закончим.
Если тебе понравилось, подпишись на канал и поддержи автора