§ 8.3. Аморфные тела

Определения и обозначения

Аморфное тело — тело, в котором частицы не образуют устойчивой периодической кристаллической решётки. Проще говоря, расположение частиц не повторяется на больших расстояниях. Это определение помогает отличать стекло, смолы и пластмассы от кристаллов.

Ближний порядок — упорядоченное расположение ближайших частиц при отсутствии порядка на больших расстояниях. Соседи одной частицы находятся примерно в характерных положениях, но такая картина не повторяется во всём объёме. Понятие нужно, чтобы не считать аморфное вещество полностью беспорядочным.

Стеклообразное состояние — твёрдое состояние вещества с аморфной структурой и постепенным размягчением при нагревании. В таком состоянии материал сохраняет форму, хотя строение его частиц не является кристаллическим. Термин особенно часто применяют к стеклу и некоторым полимерам.

Температура размягчения — интервал температур, в котором аморфное тело постепенно теряет твёрдость и начинает заметно деформироваться. Это не одна точка, а область перехода к более текучему состоянию. Такое понятие точнее описывает нагревание стекла или смолы.

Как это устроено

В кристалле частицы занимают положения, которые периодически повторяются в пространстве. Поэтому говорят о дальнем порядке: достаточно задать расположение нескольких частиц, чтобы предсказать структуру на больших расстояниях. В аморфном теле частицы тоже взаимодействуют и образуют устойчивые ближайшие окружения, но общего повторяющегося узора нет. Значит, в нём сохраняется только ближний порядок.

Причина отсутствия дальнего порядка связана с тем, что частицы не выстроены в одинаковые элементарные ячейки. Кристаллическая ячейка — небольшой фрагмент решётки, многократным повторением которого строится весь кристалл. В аморфном веществе нет единственной ячейки, которую можно было бы регулярно переносить по всему объёму. Поэтому его расположение называют беспорядочным, хотя локальные связи между соседями сохраняются.

Кристалл при нагревании достигает температуры плавления, при которой его решётка разрушается сравнительно резко. У аморфного тела нет единой периодической структуры, которая разрушалась бы в одной точке. По мере нагревания частицы получают больше энергии, связи между ними ослабевают постепенно, и тело переходит через область размягчения. Поэтому для него указывают не точную температуру плавления, а температурный интервал.

Вязкость характеризует сопротивление вещества течению и деформации. При нагревании частицы движутся активнее, легче меняют взаимное расположение, поэтому вязкость стекла, смолы или пластмассы уменьшается. Сначала тело остаётся внешне твёрдым, затем начинает заметно гнуться или вытягиваться, а при дальнейшем нагревании становится текучим. Переходы между состояниями оказываются плавными.

Медленная деформация возможна, если вязкость материала не очень велика и нагрузка действует долго. При комнатной температуре движение частиц ограничено, но не прекращается полностью, поэтому за длительное время структура может немного измениться. Особенно заметно это у смол и некоторых полимеров, а у обычного стекла процесс крайне медленный. Скорость деформации возрастает при повышении температуры или нагрузки.

Сравнение кристаллических и аморфных тел

В таблице сначала найдите интересующее свойство, а затем сравните признаки в двух последних столбцах. Главное различие связано с порядком расположения частиц и характером перехода при нагревании. Сведения о вязкости и механических свойствах помогают объяснить поведение материалов на практике.

Разбор задач

Почему стекло относят к аморфным телам?

Условие. Стекло твёрдое, сохраняет форму и сопротивляется деформации. Нужно объяснить, почему его всё же относят к аморфным телам. Решение: внешние свойства тела и порядок расположения частиц — разные признаки.

1. Проверяем строение: частицы стекла не образуют дальнего периодического узора и единой кристаллической решётки.
2. Учитываем локальные связи: ближайшие частицы расположены упорядоченно, поэтому стекло не является газом или совершенно хаотичной смесью.
3. Сопоставляем нагревание: стекло не плавится в одной точке, а постепенно размягчается и становится более текучим.

Ответ. Стекло является аморфным телом, потому что не имеет дальнего периодического порядка. Его твёрдость и сохранение формы не требуют кристаллической решётки.

Кристаллическое вещество и стекло при нагревании

Условие. Сравнить поведение кристаллического вещества и стекла при одинаковом повышении температуры. Решение: нужно проследить, как изменяется структура и сопротивление течению каждого вещества.

1. В кристалле при достижении температуры плавления периодическая решётка разрушается, поэтому переход в жидкость происходит резко.
2. В стекле нет единой решётки, разрушающейся одновременно во всём объёме, поэтому частицы постепенно получают возможность перемещаться.
3. Наблюдаем результат: кристалл имеет чёткую температуру плавления, а стекло проходит область размягчения с постепенно уменьшающейся вязкостью.

Ответ. Кристаллическое вещество плавится при определённой температуре, а стекло постепенно размягчается и переходит к текучему состоянию в некотором интервале температур.

Почему ускоряется деформация смолы или стекла?

Условие. Смолу или стекло нагрели, после чего под действием той же нагрузки они стали деформироваться быстрее. Требуется объяснить результат без вычислений. Решение: связываем нагревание с подвижностью частиц и вязкостью.

1. При повышении температуры увеличивается энергия теплового движения частиц.
2. Частицам легче преодолевать взаимодействие с соседями и менять свои положения.
3. Сопротивление течению, то есть вязкость, уменьшается, поэтому за то же время тело деформируется сильнее.

Ответ. Нагревание уменьшает вязкость аморфного материала и усиливает его текучесть. Поэтому деформация под действием нагрузки ускоряется; при дальнейшем нагревании тело может перейти в жидкоподобное состояние.

Типичные ошибки

Любое твёрдое тело считают кристаллическим. Ошибка возникает из-за смешения признаков твёрдости и строения. Проверяйте себя по наличию дальнего периодического порядка: у стекла и смол его нет.

Утверждают, что у аморфного тела вообще нет порядка. Так говорят, потому что частицы не образуют общей решётки. Нужно помнить о ближнем порядке: ближайшие соседи расположены закономерно.

Приписывают аморфному телу строгую температуру плавления. Это свойство типично для кристаллов, поэтому ошибка появляется при одинаковом описании всех твёрдых веществ. Проверка проста: для аморфного тела говорят об интервале размягчения.

Считают стекло абсолютно неподвижным. В обычной жизни его деформация слишком мала, поэтому её трудно заметить. Учитывайте длительность нагрузки и температуру: при них вязкость уменьшается, а медленная деформация становится заметнее.

Связь с другими темами

Для понимания аморфных тел нужны представления о строении вещества и тепловом движении частиц. Они объясняют, почему ближние связи сохраняются, а дальний порядок отсутствует. Сравнение с кристаллической решёткой помогает выделить главный признак аморфной структуры.

Тема связана с агрегатными состояниями: температура изменяет подвижность частиц и вязкость вещества. Поэтому постепенное размягчение показывает переход от твёрдого состояния к текучему без резкой границы. Эти знания применяют при нагревании и формовании материалов.

Свойства стекла, пластмасс и смол важны в материаловедении и технике. По температурной зависимости вязкости выбирают режимы обработки и эксплуатации изделий. Так строение вещества связывается с практическими свойствами материала.

Что запомнить

• Аморфные тела не имеют дальнего периодического порядка.
• В аморфных телах сохраняется ближний порядок.
• К аморфным телам относятся стекло, смолы и многие пластмассы.
• Аморфные тела не имеют строго определённой температуры плавления.
• При нагревании аморфные тела постепенно размягчаются.
• При повышении температуры вязкость аморфного вещества обычно уменьшается.
• Аморфные тела могут медленно деформироваться под действием нагрузки.