Твёрдые вещества

Определения и обозначения

Твёрдое вещество — вещество, сохраняющее собственные форму и объём. Например, кусок железа не принимает форму сосуда сам по себе. Это определение помогает отличить твёрдые вещества от жидкостей и газов.

Кристаллическое тело — твёрдое тело, частицы которого расположены упорядоченно и образуют кристаллическую решётку. В такой решётке частицы занимают повторяющиеся положения. Понятие нужно, чтобы связать внутреннее строение с особенностями кристалла.

Аморфное тело — твёрдое тело без строгого дальнего порядка в расположении частиц. Частицы в нём находятся близко, но не выстраиваются в единую повторяющуюся решётку на больших расстояниях. Это объясняет постепенное размягчение таких тел при нагревании.

Упругость — способность тела восстанавливать форму после прекращения действия силы. Так ведёт себя пружина, если её растянули не слишком сильно. Термин помогает отличать обратимую деформацию от постоянного изменения формы.

Как это устроено

В твёрдом веществе частицы расположены очень близко друг к другу, поэтому свободного пространства между ними мало. Они не прекращают движение: каждая частица колеблется около определённого положения. Далеко переместиться ей мешают соседние частицы и силы взаимодействия между ними.

Сильное взаимодействие удерживает частицы вместе и не позволяет им разлететься или свободно перетекать. Поэтому расстояния между частицами меняются лишь немного, а тело сохраняет объём. Устойчивое расположение частиц также не даёт телу самопроизвольно менять форму.

В кристаллическом теле частицы образуют упорядоченную решётку, которая повторяется в разных участках вещества. В аморфном теле ближайшие частицы тоже связаны и расположены не случайно, но строгого дальнего порядка нет. Поэтому кристаллы часто имеют правильную форму и определённую температуру плавления, а аморфные тела обычно размягчаются постепенно.

Строение влияет на свойства материала. Прочность показывает, насколько тело сопротивляется разрушению, твёрдость — насколько трудно оставить на нём царапину или вмятину, упругость — возвращается ли оно к прежней форме. Хрупкое тело разрушается при ударе или нагрузке, почти не изменяя форму заранее.

При нагревании частицы получают больше энергии и колеблются сильнее. Связи между ними постепенно ослабевают, поэтому тело может размягчиться, а затем перейти в жидкое состояние — расплавиться. Если нагрев быстрый или неравномерный, разные части тела расширяются неодинаково, и из-за внутренних напряжений оно может треснуть или разрушиться.

Сравнение кристаллических и аморфных тел

Чтобы определить вид тела, сначала сравните расположение частиц и наличие решётки, затем обратите внимание на поведение при нагревании. Таблица показывает типичные признаки, поэтому конкретные материалы могут иметь особенности.

Кристаллические тела удобно узнавать по упорядоченному строению, а аморфные — по отсутствию строгого дальнего порядка и постепенному размягчению.

Разбор задач

Задача 1

Условие: определите, какие из перечисленных тел являются твёрдыми веществами: вода, лёд, воздух, железо, стекло.

1. Проверим, сохраняет ли каждое вещество форму и объём.
2. Вода сохраняет объём, но принимает форму сосуда, поэтому это жидкость. Воздух не сохраняет ни форму, ни собственный объём, поэтому это газ.
3. Лёд, железо и стекло сохраняют форму и объём без стенок сосуда.

Ответ: твёрдые вещества — лёд, железо и стекло.

Задача 2

Условие: распределите тела на кристаллические и аморфные: поваренная соль, стекло, сахар, пластилин, медь.

1. Вспомним главный признак: у кристаллических тел есть упорядоченная решётка, а у аморфных строгой решётки нет.
2. Поваренная соль, сахар и медь состоят из частиц, расположенных упорядоченно, поэтому относятся к кристаллическим телам.
3. Стекло и пластилин не имеют строгого дальнего порядка и при нагревании обычно размягчаются, поэтому это аморфные тела.

Ответ: кристаллические — поваренная соль, сахар, медь; аморфные — стекло, пластилин.

Задача 3

Условие: объясните, почему металлическую пружину после растяжения можно вернуть в исходную форму, а кусок пластилина — нельзя.

1. Сравним результат действия силы после того, как растяжение прекращено.
2. В пружине частицы немного смещаются, но силы взаимодействия возвращают их к прежним положениям. Это проявление упругости.
3. В пластилине частицы после деформации закрепляются в новых положениях, поэтому форма изменяется постоянно. Такая деформация называется пластической.

Ответ: пружина упруга, а пластилин после воздействия силы получает необратимую деформацию.

Типичные ошибки

Ошибка: считать частицы твёрдого вещества совершенно неподвижными. Так думают, потому что тело кажется неподвижным, но частицы непрерывно колеблются; проверить себя можно вопросом о нагревании: при нём колебания усиливаются.

Ошибка: путать твёрдое вещество с твёрдым телом и считать любое твёрдое тело кристаллическим. Твёрдость состояния не означает наличие решётки: стекло и пластилин являются аморфными.

Ошибка: утверждать, что аморфные тела вообще не имеют внутреннего порядка. У них есть близкий порядок расположения соседних частиц, но нет строгого дальнего порядка; именно это нужно проверять.

Ошибка: считать упругость и прочность одним свойством. Упругость означает восстановление формы, а прочность — сопротивление разрушению, поэтому тело может быть прочным, но неупругим, или упругим при небольшой нагрузке.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, что все вещества состоят из частиц, которые движутся и взаимодействуют. Эти представления объясняют одновременно устойчивость твёрдого тела и движение его частиц.

Тема связана с жидкостями и газами: сравнение расстояний между частицами и характера их движения помогает различать агрегатные состояния вещества.

Знания пригодятся при изучении плавления и деформации тел, а также материаловедения. Понимая свойства материалов, можно выбирать подходящие вещества для строительства, техники и быта.

Что запомнить

• Твёрдые вещества сохраняют форму и объём.
• Частицы твёрдого вещества расположены близко и колеблются около определённых положений.
• Кристаллические тела имеют упорядоченное строение.
• Аморфные тела не имеют строгой кристаллической решётки.
• Твёрдые тела могут обладать прочностью, твёрдостью, упругостью и хрупкостью.
• При нагревании твёрдое вещество может размягчаться и плавиться.
• Свойства материала зависят от его внутреннего строения.