Какие тела обладают свойством текучести
Физика, 8 класс. Задание 1. Гидростатика. Аэростатика
§1. Жидкости и газы. Текучесть. Давление
Жидкости и газы отличаются от твёрдых тел прежде всего тем, что обладают таким свойством, как текучесть. Текучесть проявляется в способности жидкости и газа принимать форму сосуда. Из-за чего появляется и чем объясняется текучесть, по наличию которой и устанавливают, что данное тело не является твёрдым?
Многочисленные опытные факты подтверждают наличие в природе веществ (тел), у которых отсутствуют силы, препятствующие сдвигу с бесконечно малыми скоростями одних слоёв этих веществ относительно других, т. е. отсутствуют силы трения покоя, действующие вдоль поверхности соприкасающихся слоёв. Если при этом такое вещество принимает форму сосуда и его объём практически не зависит от формы и вида сосуда, то мы имеем дело с жидкостью. Если же это вещество занимает весь предоставленный ему в любом сосуде объём, то это – газ.
У твёрдого тела сдвинуть один слой (часть) тела относительно другого без приложения значительных усилий невозможно. У жидкости и газа одни слои (части) могут скользить по другим слоям под действием ничтожно малых сил. Этим и объясняется текучесть. Например, если подуть вдоль поверхности воды, то верхние слои воды придут в движение относительно нижних, причём силы трения между слоями будут тем меньше, чем меньше относительная скорость движения слоёв. Другой пример текучести. Даже очень осторожное, медленное и малое наклонение сосуда с жидкостью приводит к перемещению верхних слоёв жидкости относительно нижних и в результате поверхность жидкости становится снова горизонтальной.
Сила трения покоя между стенкой сосуда и соприкасающейся с ней неподвижной жидкостью тоже равна нулю.
Мы здесь не будем рассматривать проявление так называемых сил поверхностного натяжения, возникающих из-за того, что поверхностный слой жидкости ведёт себя подобно тонкой упругой оболочке. Силами поверхностного натяжения объясняется существование капель жидкости, возможность каплям удерживаться на наклонной поверхности твёрдого тела, капиллярность и другое.
Из всего сказанного выше следует, что в неподвижной жидкости (или газе) слои (части) жидкости действуют друг на друга и на стенки сосуда с силами, направленными перпендикулярно к поверхности их соприкосновения. На рис. 1 показан сосуд с жидкостью. Выделим мысленно из всей жидкости её части в объёмах 1 и 2. Жидкость в объёме 1 давит на жидкость в объёме 2 с силой F1, направленной перпендикулярно к поверхности АВ их соприкосновения. С такой же по модулю силой F2 давит и жидкость 2 на 1. Это следует из так называемого третьего закона Ньютона, согласно которому тела действуют друг на друга с равными по модулю и противоположными по направлению силами. Жидкость в сосуде давит на часть MN стенки сосуда с силой F3, направленной перпендикулярно стенке. Часть MN стенки давит на жидкость с такой же силой F4.
Величиной, характеризующей взаимодействие частей жидкости или газа друг с другом и со стенками сосуда, служит давление.
Давлением называется величина, равная отношению модуля силы F давления, действующей по нормали (перпендикулярно) к плоской поверхности, к площади S этой поверхности p=FS:
В системе СИ давление измеряется в Нм2. Эта единица давления носит название паскаль (Па): 1 Па = 1 Нм2
Уточним, что следует понимать под давлением в жидкости или газе.
Поместим в жидкость или газ небольшую плоскую пластину. Одну из сторон этой пластины назовём площадкой. Жидкость (газ) давит на площадку с некоторой силой F. Если площадь площадки S, то давление жидкости на площадку p=FS. Из условия равновесия вырезанной мысленно из жидкости (газа) призмы с основанием в виде прямоугольного треугольника, находящейся в месте расположения площадки, можно вывести, что давление на площадку в жидкости или газе не зависит от ориентации площадки. Вывод приводить не будем. Теперь можно дать определение давления в жидкости или газе.
Давлением в некоторой точке жидкости называется давление жидкости на небольшую площадку, произвольно ориентированную и помещённую вблизи этой точки. Аналогично и для газа.
Перейти к тестированию
Перейти к следующей теме
Вернуться к предыдущей теме
Источник
-свойство тел пластически или вязко деформироваться под действием напряжений; характеризуется величиной, обратной вязкости. У вязких сред (газов, жидкостей) Т. проявляется при любых напряжениях, у пластичных твёрдых тел – лишь при напряжениях, превышающих предел Т.
У разл. сред существуют разные механизмы Т., определяющие сопротивление тел пластическому или вязкому течению. У газов механизм Т. связан с переносом импульса из тех слоев, где имеется преобладающее движение молекул газа в направлении течения, к слоям, у к-рых это движение меньше. У жидкостей механизм Т. представляет собой преобладающую диффузию в направлении действия напряжений. Элементарным актом при этой диффузии является скачкообразное перемещение молекулы или пары молекул либо сегмента макромолекулярной цепи (у высокомолекулярных веществ), сопровождающееся переходом через энергетич. барьер. У кристаллич. твёрдых тел Т. связывается с движением разл. рода дефектов в кристаллах: точечных ( вакансий, междоузлий), линейных ( дислокаций )и объёмных ( краудионов), течение может быть обусловлено двойникованием, вызванным напряжением. Происходящее во времени течение металлов при высоких темп-pax, полимеров и др. наз. ползучестью материалов.
С явлениями Т. приходится сталкиваться как на Земле, так и в космосе. На Земле Т. проявляется в дрейфе материков, глобальных тектонич. процессах, рифтогенезе, движениях в атмосфере и гидросфере, движениях горных массивов, течении ледников. В технике с явлениями Т. сталкиваются, напр., при движении газов и жидкостей по трубам и в аппаратах разл. производств, в трубопроводном транспорте пульп при выполнении земляных работ и в горных выработках способом гидромеханизации. Пластич. течения и ползучесть имеют место в разл. элементах конструкций, работающих при высоких нагрузках, при изготовлении изделий способами штампования, ковки, прессования, литья под давлением, при спекании порошков.
Феноменологически теория течения разл. материалов строится на основе обычных в механике сплошных сред допущениях об однородности, сплошности и изотропности тел. Гипотеза изотропности оказывается неприменимой к монокристаллам твёрдых веществ и жидким кристаллам, ориентированным полимерам, композиционным материалам с волокнистыми наполнителями, нек-рым природным материалам, для всех них построены теории анизотропного тела. Свойства Т., вязкости описываются соотношениями, связывающими напряжения и скорости деформации. В гидромеханике вязкой жидкости Т. считается независимой от приложенного касательного напряжения (при деформациях сдвига) или давления (при деформациях объёма). Для неньютоновских жидкостей Т. изменяется в зависимости от касательного напряжения (при деформациях сдвига) или давления (при деформациях объёма). Для тел в состоянии ползучести нелинейные соотношения, определяющие Т., записываются в виде кинетических дифференц. или интегральных ур-ний, согласно к-рым на состояние тела в данный момент влияет предыстория напряжённо-деформированного состояния. Так, при сдвиге Т. возрастает с ростом приложенного касательного напряжения, при растяжении с ростом нормального напряжения Т. падает. Движения макромолекулярных цепей при течении высокомолекулярных соединений (в т. ч. полимеров) напоминают движения пресмыкающихся при их перемещениях и наз. рептациями.
Особо высокую Т. у гелия при низких темп-pax, названную сверхтекучестью, установил П. Л. Капица (1938), её физ. теорию построил Л. Д. Ландау (1941).
Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Гидродинамика, 3 изд., М., 1986; Френкель Я. И., Кинетическая теория жидкостей, Л., 1975; Работнов Ю. Н., Механика деформируемого твердого тела, 2 изд., М., 1988; Жен П.-Ж. де, Идеи скейлинга в физике полимеров, пер. с англ., М., 1982; Peterson A. R., A first course in fluid dynamics, Camb., 1985. Н. И. Малинин.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия.
Главный редактор А. М. Прохоров.
1988.
Источник
В школьном курсе физики и химии обычно рассказывают о трёх агрегатных состояниях вещества – жидком, твёрдом и газообразном. Но для ряда веществ существует четвертое агрегатное состояние – нечто среднее между жидким и твердым, которое называют жидкокристаллическим.
В чем принципиальные отличия между жидкостью и кристаллом?
Жидкости обладают подвижностью, текучестью и изотропией свойств.
Что значит “изотропия свойств“? Рассмотрим на примере явления преломления света. Известно, что скорость распространения света зависит от среды, в которой он распространяется. Самой высокой скорость распространения будет в вакууме. При прохождении света через жидкости скорость снижается. Это снижение скорости зависит от природы вещества и характеризуется коэффициентом преломления. Причем в каком бы направлении относительно жидкости мы ни направляли луч света, коэффициент преломления будет одинаковым. Вещества, у которых измеряемые физические свойства не зависят от направления, называют изотропными.
Кристаллы – твёрдые вещества, обладающие внутренней упорядоченностью и анизотропией свойств.
Внутренняя упорядоченность кристаллов обуславливается наличием кристаллической решетки, которая отражает строгую повторяемость структурных частиц кристалла. Строение кристаллов подчиняется законам симметрии, чего нет в жидкостях и газах. Благодаря наличию кристаллической решетки кристаллы являются анизотропными средами. Если располагать кристалл под разными углами относительно падающего на него луча света и измерять коэффициент преломления, то он будет меняться в зависимости от положения кристалла.
Эксперимент, иллюстрирующий зависимость скорости распространения света в кристалле в зависимости от его ориентации относительно луча.
Известно, что если нагревать твердое вещество, оно начнет плавиться и перейдет в жидкость. Более ста лет назад австрийский ботаник Ф. Рейнитцер заметил интересную вещь. Он нагревал кристаллический эфир холестерилбензоат, который при 145 °С плавился с образованием мутной жидкости, а она при достижении 179 °С превращалась в прозрачную жидкость. Момент перехода мутной жидкости в прозрачную назвали точкой просветления.
Самое удивительное, что в ходе дальнейших исследований было установлено: мутная жидкость является анизотропной! Получается, что эта жидкость обладала свойствами кристаллов. Именно поэтому такое состояние было названо жидкокристаллическим.
Вещества, способные в определенном температурном интервале выше точки плавления сочетать одновременно свойства жидкостей (текучесть, способность к образованию капель) и свойства кристаллических тел (анизотропию, упорядоченность), стали называть жидкими кристаллами или жидкокристаллическими.
Также жидкие кристаллы часто называют мезоморфными веществами, а фазу, которая существует между точкой плавления и точкой просветления, – мезо-фазой.
Если жидкость анизотропна, значит её внутреннее строение каким то образом упорядочено. Но как может совмещаться упорядоченность и текучесть? Ведь для того, чтобы свободно перемещаться молекулы жидкости должны разрывать связи с соседними молекулами, менять свое положение, то есть – нарушать порядок! Необходимо разобраться, как устроены жидкие кристаллы.
Агрегатные состояния вещества.
На самом деле, не все вещества могут образовывать жидкокристаллическую фазу. Эта особенность присуща только веществам, молекулы которых имеют асимметричную форму. Например, молекула того же самого холестерилбензоата имеет вытянутую вдоль одной оси асимметричную форму:
Холестерилбензоат.
В зависимости от формы молекул жидкие кристаллы делят на: каламитики (стержнеобразные молекулы, как холестерилбензоат), дискотики (дискообразные молекулы) и санидики (планкообразные молекулы).
Классификация жидких кристаллов по форме молекул (мезогенов).
В кристаллах присутствует трансляционная симметрия. На рисунке ниже красные вектора a и b как раз и являются трансляциями, которые показывают направление и расстояние, через которое будет периодически встречаться определенным образом ориентированная молекула. То есть в кристалле наряду с трансляционным порядком существует еще и ориентационный порядок.
Взаимное расположение молекул в кристалле и жидком кристалле. а и b – трансляции, d – директор.
При нагревании кристалла происходит его переход в жидкокристаллическую фазу, и сначала теряется ориентационный порядок; молекулы приобретают достаточную энергию, чтобы начать менять свою ориентацию. При этом молекулы самоорганизуются таким образом, что их наклон становится одинаковым – это энергетически выгодно.
Вектор, указывающий выделенное направление, по которому ориентированы молекулы-мезогены, называют директором.
На рисунке он изображен черными стрелками.
Если повышать температуру медленно, то после потери ориентационного порядка центры тяжести молекул сначала будут оставаться неизменными – трансляционная симметрия еще не потерялась. Такую мезо-фазу называют смектической-С фазой. При дальнейшем нагревании теряется и трансляционный порядок – молекулы покидают свои центры тяжести. Такую фазу называют нематической. Однако не смотря на потерю симметрии, во всех жидкокристаллических фазах остается единая ориентация мезогенов. Директор не пропадает.
Жидкие кристаллы, которые получают нагреванием кристаллов или охлаждением жидкостей, называют термотропными (образуются за счет изменения температуры). Остановимся немного на том, какие термотропные мезо-фазы встречаются.
Основные типы расположения стержнеобразных молекул в смектиках, нематиках и холестериках (Шибаев В.П. Необычные кристаллы или загадочные жидкости. Соросовский образовательный журнал, №11, 1996).
Смектики – самые упорядоченные жидкие кристаллы. Молекулы располагаются слоями и имеют подвижность в пределах каждого слоя. В нематических кристаллах центры тяжести молекул расположены хаотично (трансляционная симметрия отсутствует). Третий тип мезо-фаз – холестерический – самый сложно организованный. Он представляет собой нематические слои, закрученные в пространстве. При переходе от одного слоя к другому директор поворачивается на малый угол. Расстояние, между слоями, в которых направление директора совпадает, называют шагом спирали.
Помимо термотропных жидких кристаллов существуют лиотропные ЖК. Их получают растворением бифильных веществ в определенных растворителях. Что за бифильные вещества? Это вещества, молекулы которых которые совмещают в себе гидрофильные (растворимость в воде) и гидрофобные (нерастворимость в воде) свойства. Примером таких веществ являются высшие карбоновые кислоты.
C17H35COOH – стеариновая кислота (Автор: Jynto and Ben Mills – Derived from File:Caproic-acid-3D-balls.png., Общественное достояние, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=11080927)
Карбоксильная группа -COOH является гидрофильной и может образовывать водородные связи с молекулами воды, благодаря наличию электроотрицательных атомов кислорода. Жирный углеводородный радикал -C17H35 является гидрофобной частью молекулы. Благодаря такому строению бифильные молекулы склонны образовывать мицеллы, растворы которых в определенных концентрациях могут проявлять свойства жидких кристаллов.
Жидкие кристаллы обладают рядом интереснейших свойств, о которых будет рассказано в дальнейших статьях. Подписывайся на эту ленту =)
Источник
Твердые тела обладают рядом специфических признаков и свойств. Они определяются различными параметрами и характерными чертами. В основе изучения этих свойств лежит познавательный процесс всего окружающего нас мира. Это входит в фундаментальные основы физики. Исследование сегодня проводятся не только на макроуровне, но и постигаются признаки привычных нам твердых тел, из которых состоит практически все вокруг.
Рисунок 1. Основные свойства твердых тел. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Типы твердых тел
Все твердые тела делятся на два основных типа:
- аморфные тела;
- тела с кристаллической структурой.
Твердые тела состоят из многообразия бесконечных молекулярных связей. Без использования различных твердых тел, которые обладают отличными друг от друга специфическими свойствами невозможно сегодня представить себе развитие науки и техники. В настоящее время металлы и другие диэлектрики активно используются в электротехники, электронике различного уровня.
В основе такого оборудования лежат полупроводники, которые обладают уникальными свойствами, позволяющими совершать научно-технический прогресс ускоренными темпами. Это и различные магниты, сверхпроводники, иные новые материалы с полезными характеристиками. Поэтому изучение физики твердого тела напрямую связано с дальнейшим развитием науки и технологий.
Готовые работы на аналогичную тему
Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту
Узнать стоимость
Взаимодействие частиц порождают появление особенных свойств у твердых тел с кристаллической структурой внутреннего строения. Коллективные свойства электронов могут определять степень электропроводности различных твердых тел. Характер коллективного колебания атомов при взаимодействии определенной температурой позволяет говорить о способности к теплоемкости. Оно возникает в том случае, когда тела могут поглощать тепло в определенных пределах. Одни твердые тела более предрасположены к поглощению тепла и нагреваются сильнее, другие – нет.
В кристаллах внутренняя структура вещества предполагает наличие кристаллической решетки. В таких твердых телах молекулы или атомы выстраиваются совершенно определенным и упорядоченным образом в пространстве. Кристаллы имеют плоские грани, а также строгую периодичность расположения узлов и элементов всей конструкции. По-иному устроены твердые тела аморфного типа. Они состоят из большого и беспорядочного скопления атомов.
Кристаллические тела обладают свойствами анизотропности, что предполагает зависимость физических свойств от направления внутри кристалла. Все металлы имеют кристаллическую структуру, поэтому именно их человечество сегодня использует в качестве основного материала для строительства. Однако металлы в обычном своем состоянии не обнаруживают свойств анизотропности.
Есть случаи, когда одно и то же вещество может находиться в аморфном и кристаллическом состоянии.
Свойства аморфных тел
Аморфные твердые тела имеют признаки изотропности. Иными словами, физические свойства таких тел будут иметь одинаковые показатели по всем направления изучения. К таким телам часто относят стекло, смолу, леденцы. При определенном уровне внешних силовых воздействиях такие твердые тела преобразуются в иное состояние или приобретают иные признаки. К основным свойствам аморфных тел относят:
- упругость;
- текучесть.
Упругость при этом подобно основным параметрам всех твердых тел, а текучесть имеет признаки жидкости. Такие тела при кратковременном силовом физическом воздействии ведут себя как твердые тела, обладая упругостью. Однако при более сильных и активных воздействиях могут расколоться на части. Если взаимодействия происходят интенсивно и на протяжении большого количества времени, тогда твердые тела подвержены текучести.
Рисунок 2. Особые свойства твердых тел. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Молекулы и атомы аморфных тел, как и в жидкостях имеют определенное время колебаний около положения равновесия. Время такого положения в отличие жидкости не такое большое, поэтому их по внутренним свойствам приближают к кристаллическим. Атомы не перестраиваются из одного положения в другое постоянно и надолго. Состояние равновесия атомов сохраняется практически без изменений. Аморфные тела при низких температурах полностью соответствуют свойствам твердых тел. Если температура стремится к повышению, связи на молекулярном уровне также изменяются. Эти тела приближенно напоминают свойства жидкостей.
Аморфные тела занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами и жидкостями. Их атомы или молекулы располагаются в относительном порядке. Если происходит понимание свойств указанных веществ, то можно создавать такие материалы, которые будут соответствовать определенным характеристикам и свойствам.
Пластичность и хрупкость
Существуют такие материалы, которые испытывают пластичные деформации при относительно небольшом воздействии внешних факторов. Свойства пластичности характерны для аморфных твердых тел. Если тело способно разрушаться при небольших деформациях, тогда стоит говорить о твердых телах со свойствами хрупкости. Это специфическое физическое свойство имеет более важное значение на практике, чем упругость и пластичность.
В качестве наиболее хрупких материалов можно привести в пример изделия из фарфора. Все знают, что посуда может разбиваться на куски во время падения с высоты. Мрамор, чугун и янтарь также можно причислить к материалам, которые обладают довольно большой степенью хрупкости. Остальные металлы обычно не предполагают наличия таких свойств и выдерживают серьезные нагрузки до момент деформации или разрушения.
Специалисты неохотно делят твердые тела на пластичные и упругие, поскольку это деление носит условный характер. Это означает, что один и тот же материал способен приобретать те или иные свойства исходя из внешних факторов. Один материал может обладать свойствами упругости и пластичности в зависимости от возникающих напряжений.
Также у различных материалов есть собственный предел прочности. Он возникает в момент, когда напряжение в материале значительно превышает предел упругости. В этом случае, подверженный нагрузкам предмет не принимает исходных размеров и остается в деформированном виде.
При увеличении нагрузки на твердое тело процесс деформации происходит с новой силой и быстрее. При достижении максимума в определенной точке происходит разрыв материала. Напряжение в этот отрезок времен достигает предельного максимального значения. Деталь растягивается без увеличения внешней нагрузки до полного или частичного разрушения. Подобная величина будет зависеть от определенного материала и качества его обработки.
Источник