Механические свойства твёрдых тел

Твёрдые тела способны сохранять форму и объём. Механические свойства твёрдых тел обусловлены их структурой. Нагревание (охлаждение), а также внешнее механическое воздействие на тело может приводить к изменению формы и объёма, т.е. к деформации.

Деформация – это изменение формы или размера твёрдого тела.

Упругая деформация – деформация, исчезающая после прекращения действия внешней силы. Упруго деформируются сталь, резина, сухожилия и т.д. Упругость – свойство тел восстанавливать свои размеры, форму, объём после снятия внешней нагрузки.

Пластическая деформация - деформация, сохраняющаяся после прекращения действия внешней силы. Возникает из-за необратимых изменений, происходящих в кристаллической решётке твёрдого тела. Пластичными являются свинец, алюминий, воск, пластилин и т.д. Пластичность – свойство тел при незначительных нагрузках испытывать остаточные деформации. Важными механическими свойствами твёрдых тел, которые приходится учитывать в машиностроении, являются хрупкость и твёрдость. Хрупкость – свойство тел разрушаться при небольших деформациях. Хрупкие материалы (стекло, кирпич, керамика, чугун, мрамор) при относительно небольших нагрузках упруго деформируются, а при увеличении внешней нагрузки разрушаются прежде, чем у них появится пластическая деформация. Твёрдость материала характеризуется тем, что он может оставлять царапины на поверхности другого материала. Наиболее твёрдым материалом является алмаз, довольно большой твёрдостью обладают рубин, агат, твёрдая сталь.

Твёрдые тела могут испытывать такие виды деформаций:

1. растяжение (тросы, цепи);

2. сжатие (колонны, стены);

3. сдвиг (болты, заклёпки);

4. кручение (гайки, валы, оси);

5. изгиб (мосты, балки).

Для характеристики упругих свойств тела используется величина – механическое напряжение ( – величина, равная отношению силы упругости к площади поперечного сечения тела:

Закон Гука: при упругой деформации тела механическое напряжение прямо пропорционально относительному удлинению тела

– модуль упругости (модуль Юнга) характеризует сопротивляемость материала упругой деформации - относительное удлинение равно отношению абсолютного удлинения тела к его первоначальной длине: .

Относительное удлинение показывает, какую часть первоначальной длины тела составляет его абсолютное удлинение .

, где – конечная длина (после деформации).

При растяжении

При сжатии

Сравнивая два вида закона Гука (в механике ), получаем:

Коэффициент упругости (жесткость материала) прямо пропорционален произведению модуля Юнга на площадь поперечного сечения и обратно пропорционален его длине.

Предел упругости – максимальное механическое напряжение в материале, при котором деформация ещё является упругой.

Прочность материала – это его свойство выдерживать действия внешних сил без разрушения. Предел прочности – механическое напряжение, которому соответствует наибольшая выдерживаемая телом нагрузка перед разрушением его кристаллической структуры. Запас прочности (коэффициент безопасности) – число, показывающее, во сколько раз предел прочности больше допускаемого напряжения. Пределы прочности зависят от свойств материалов. Запас прочности зависит от характера нагрузки, условий использования материала и др. факторов.

Тепловое расширение тел

Все вещества при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Изменение линейных размеров и объёмов тел при изменении температуры называется тепловым расширением. Линейное расширение характерно только для твёрдых тел, объёмное тепловое расширение происходит как в твёрдых телах, так и в жидкостях.

Большинство твёрдых тел имеют поликристаллическую структуру, поэтому при нагревании расширяются по всем направлениям одинаково. Однако во многих случаях на практике приходится учитывать расширение только в одном направлении (при прокладке труб для паропровода проходится учитывать их удлинение при нагревании, а изменение площади поперечного сечения стенок труб практического значения не имеет).

Изменение одного определённого размера твёрдого тела при изменении температуры называется линейным расширением.

Если – длина тела при температуре , а - длина при температуре , то при изменении температуры на длина изменяется на .

- абсолютное удлинение тела.

– относительное удлинение тела.

Опыт показывает, что относительное удлинение тела пропорционально изменению температуры: = , где коэффициент пропорциональности – термический коэффициент линейного расширения , зависит от рода вещества (разные вещества при одинаковом изменении температуры расширяются по-разному) и внешних условий.

Зная термический коэффициент линейного расширения и длину тела при 0˚ С, можно рассчитать его длину при любой температуре :

Зависимость длины от температуры приходится учитывать при натягивании проводов на линиях электропередач, сооружении мостов, прокладке рельсов. Для получения спаев металла со стеклом, например, при изготовлении электрических ламп, используются металлы и стекло с близким коэффициентом расширения. Для автоматического замыкания и размыкания цепей в термостатах, холодильниках, в противопожарных устройствах используются биметаллические пластинки, которые состоят из двух разнородных металлических полос, склёпанных друг с другом. При нагревании одна полоса удлиняется больше другой, и вся пластинка изгибается, контакт при этом размыкается.

При изменении двух размеров тела (площади) при нагревании:

При тепловом объёмном расширении тела:

– площадь и объём тела при 0˚ С.

Фазовые переходы

– процессы перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое.

1. Парообразование – переход вещества из жидкого состояния в газообразное состояние.

2. Конденсация – переход вещества из газообразного состояния в жидкое состояние.

3. Плавление – переход вещества из твёрдого (кристаллического) состояния в жидкое состояние.

4. Кристаллизация (отвердевание) – переход вещества из жидкого состояния в кристаллическое (твёрдое) состояние.

5. Сублимация (возгонка) – переход вещества из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкое состояние. Например, испарение нафталина, сухого льда (твёрдой двуокиси углерода, ).

6. Десублимация – переход вещества из газообразного состояния в твёрдое, минуя жидкое состояние. Например, на оконных стёклах зимой можно видеть рост кристалликов в виде красивых и разнообразных узоров, которые образуются непосредственно из водяных паров, находящихся в воздухе.

Парообразование

Испарение - парообразование Кипение - парообразование

со свободной поверхности, происходит при во всём объёме жидкости, происходит при

любой температуре. определённой температуре - точке кипения.

 

С точки зрения МКТ испарение объясняется так: на поверхности жидкости более «быстрые» молекулы (с большой кинетической энергией) вылетают из неё, преодолев силы притяжения остальных молекул, и образуют над жидкостью пар. Жидкости испаряются при любой температуре, т.к. при любой температуре есть такие молекулы с кинетической энергией большей средней кинетической при этой температуре.

При испарении, если нет притока энергии извне, жидкость охлаждается, т. к. её покидают и уносят из неё энергию самые энергичные молекулы, средняя кинетическая энергия молекул жидкости уменьшается.

С увеличением температуры испарение усиливается, т.к. увеличивается число «быстрых» молекул.

Чем больше площадь поверхности жидкости, тем интенсивнее испарение, т.к. больше молекул оказывается на поверхности.

Испарение усиливается на ветру, т.к. поток воздуха относит молекулы пара от жидкости и они не возвращаются в неё, кроме того освобождается пространство над жидкостью.

Испарение зависит от рода жидкости. Те жидкости, которые состоят из сильно взаимодействующих молекул, испаряются медленнее, чем те, которые состоят из слабо взаимодействующих молекул.Например, эфир испаряется быстрее спирта, а спирт быстрее воды.

При конденсации часть молекул пара, оказавшиеся у поверхности жидкости втягивается в неё силами притяжения, возвращается в жидкость, увеличивая её энергию.

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться: