FIZYKA CIAŁA STAŁEGO

Transkrypt

1 FIZYKA CIAŁA STAŁEGO Stany skupienia materii, typy i zasięg uporządkowań Ciała krystaliczne i amorficzne Krzyształy (monokryształy i polikryształy) Amorfizm (bezpostaciowość) Plazma czwarty stan skupienia materii Właściwości plazmy, występowanie i zastosowania Przejścia między stanami Cieplne i mechaniczne własności ciał stałych

2 STANY SKUPIENIA MATERII Stan skupienia materii - podstawowa forma w jakiej występuje substancja (określa właściwości fizyczne ciała). Właściwości substancji wynikają z układu oraz zachowania cząsteczek tworzących daną substancję. CIAŁA STAŁE kryształy, polikryształy i *ciała bezpostaciowe; ustalony kształt oraz objętość (nieściśliwe); uporządkowanie dalekiego zasięgu; drgania cząsteczek lub atomów wokół położeń równowagi (oddziaływ. harmoniczne). CIECZE trudno zmienić objętość (słabo ściśliwe), ale łatwo kształt (przyjmują kształt naczynia); bliski zasięg uporządkowania (oddz. międzycząsteczkowe); tworzą powierzchnię swobodną. GAZY nie mają własnego kształtu (przyjmują kształt naczynia); łatwo zmieniają swoją objętość (są ściśliwe); cząsteczki poruszają się swobodnie (brak uporządkowania); brak sił spójności (oddziaływ. jedynie w wyniku zderzeń).

3 STRUKTURA KRYSTALICZNA Do opisu prawidłowości struktury wewnętrznej kryształów posługujemy się pojęciem sieci krystalicznej (abstrakcja matematyczna). Sieć krystaliczna - regularny i periodyczny układ punktów w przestrzeni. Baza atomowa - grupa atomów lub cząsteczek przypisanych do węzłów sieci (taki sam skład, układ i orientacja przestrzenna). sieć przestrzenna + baza atomowa = struktura krystaliczna (jak rozmieścić?) (co rozmieścić?) (kryształ) Struktura krystaliczna - jednoznaczne przyporządkowanie bazy atomów do każdego węzła sieci (uporządkowana, trójwymiarowa struktura atomów, jonów lub cząsteczek). Każdy atom, jon lub cząsteczka wykonuje drgania wokół swojego położenia równowagi, ale nie może przemieszczać się wzdłuż sieci.

4 KRYSZTAŁY Uporządkowanie budowy wewnętrznej kryształu polega na periodycznym (okresowym) powtarzaniu się identycznych elementów strukturalnych (atomów, jonów lub cząsteczek) w każdym kierunku przestrzeni. KRYSZTAŁ IDEALNY - nieskończenie duży twór, w którym uporządkowanie atomów (jonów lub cząsteczek) i płaszczyzn atomowych odpowiada dokładnie wymogom struktury, a jego właściwości fizykochemiczne są w całości określone przez typ struktury krystalograficznej i charakter wiązań chemicznych. Cechy makroskopowe kryształu: makroskopowa jednorodność, możliwość przyjmowania (w sprzyjających warunkach procesu krystalizacji) postaci charakterystycznych wielościanów, anizotropowość - zależność właściwości fizycznych (przewodnictwo cieplne i elektryczne, sprężystość, itp.) od kierunku w przestrzeni. polikryształy - wykazujące izotropowe własności ciała składające się z bardzo małych, dowolnie zorientowanych monokryształów.

5 Do ciał bezpostaciowych (amorficznych) zaliczamy: wosk, lak, smoła; Cechy charakterystyczne: CIAŁA AMORFICZNE żywice, opale i bursztyny; 4 szkliwa wulkaniczne (np. obsydian) amorficzne metale i półprzewodniki (Ge i Si); różnego rodzaju szkła i substancje szkłopodobne; naturalne i sztuczne polimery (np. tworzywa sztuczne). uporządkowanie bliskiego zasięgu sięgające odległości kilku nm (podobieństwo do otoczenia w stanie krystalicznym), wykazują izotropowe (niezależne od kierunku) właściwości fizyczne, charakteryzują się znaczną lepkością, występowanie zjawiska zeszklenia i tzw. temperatury zeszklenia T g (temp. mięknięcia lub transformacji).

6 AMORFIZM (BEZPOSTACIOWOŚĆ) Amorfizm (bezpostaciowość) - stan skupienia materii charakteryzujący się własnościami reologicznymi (plastycznymi) zbliżonymi do ciał krystalicznych przy braku uporządkowania dalekiego zasięgu. Ciało będące w stanie amorficznym jest ciałem stałym (nie może płynąć), ale tworzące go cząsteczki są ułożone w dość chaotyczny sposób, zbliżony do spotykanego w cieczach (ciecz przechłodzona). W stanie amorficznym występują substancje, które są zdolne do krystalizacji, ale ze względu na różnego rodzaju czynniki (np. zanieczyszczenia, szybkie schłodzenie cieczy, czy też duże rozmiary cząstek) nie mogą w pełni skrystalizować. W praktyce faza amorficzna rzadko występuje w całej objętości i zazwyczaj współistnieje z fazą krystaliczną. Poprzez zmianę warunków schładzania cieczy proporcje między tymi dwiema fazami można zmieniać, w dość szerokim zakresie. Dostatecznie szybkie ochładzanie niektórych cieczy może zatem prowadzić do wytworzenia się wyłącznie fazy amorficznej.

7 PROCESY ZESTALANIA CIECZY Krystalizacja - w oziębionej do określonej temperatury cieczy pojawiają się drobne kryształki (obszary uporządkowanych i trwale ze sobą związanych cząstek) tzw. centra krystalizacji, które przy dalszym (powolnym) oziębianiu cieczy rozrastają się i obejmują całą jej objętość. Zestalanie wskutek stosunkowo szybkiego zwiększenia lepkości cieczy przy obniżaniu temperatury - substancje amorficzne (wosk, lak, smoła) i zdolne do krystalizacji substancje szkłopodobne (szybki wzrost lepkości przy obniżaniu temp. - substancja zestala się wcześniej niż nastąpi krystalizacja).

8 CIAŁA KRYSTALICZNE I AMORFICZNE Z energetycznego punktu widzenia istnieje zasadnicza różnica między ciałami krystalicznymi i amorficznymi - dla ciał krystalicznych obserwujemy określony efekt cieplny związany z procesem topnienia i krzepnięcia, który nie występuje w przypadku ciał amorficznych. Różnica pomiędzy ciałami krystalicznymi i amorficznymi związana jest też z zależnością (bądź też nie) ich właściwości fizycznych od kierunku w przestrzeni. T [K] T top A B T g c. krystaliczne C c. amorficzne t [s] Ciała stałe o budowie krystalicznej mają ściśle określoną temperaturę topnienia (stan równowagi termodynamicznej fazy ciekłej i stałej) i są anizotropowe. Ciała amorficzne - izotropowe silnie przechłodzone ciecze o bardzo dużej lepkości, które podczas ogrzewania miękną stopniowo i nie mają określonej temperatury odpowiadającej przejściu z fazy stałej w ciekłą.

9 PLAZMA Plazma - zjonizowany gaz o odpowiedniej koncentracji nośników ładunków elektrycznych (dodatnich lub ujemnych jonów i swobodnie poruszających się elektronów) oraz elektrycznie obojętnych atomów. Jonizacja gazu - proces powstawania w gazie jonów i swobodnych elektronów. n e + n j n g Stopień jonizacji - stosunek liczby cząstek gazu, które uległy jonizacji do ich całkowitej liczby początkowej. Na ogół gaz przed jonizacją jest elektrycznie obojętny, zatem zgodnie z ZASADĄ ZACHOWANIA ŁADUNKU wytworzona plazma zawiera jednakowe ilości q + i q - (plazma jest quasi-obojętna elektrycznie). Występujące chaotyczne i chwilowo niejednorodności rozmieszczenia przestrzennego ładunków (termiczne ruchy cząstek plazmy) wywołują szereg specyficznych zjawisk (każda naładowana cząstka plazmy pole elektryczne polaryzacja otaczającego ją ośrodka grupowanie się wokół przeciwnie naładowanych cząstek pole samouzgonione Ē(t) ekranowanie cząstka quasi-neutralna elektrycznie ). kt r D 2 2ne r D - promień polaryzacyjny Debye a (promień ekranowania), ε - stała dielektryczna plazmy, k - stała Boltzmana, T - temperatura bezwzgl., n - liczba cząstek w jednostce objętości, e - ładunek elementarny.

10 PLAZMA - czwarty stan skupienia materii Zjonizowany gaz zawierający różnoimienne ładunki elektryczne nazywamy plazmą, jeżeli promień Debye a jest mały w porównaniu z rozmiarami zajmowanej przez ten gaz objętości (r D << V pl ).

11 WŁAŚCIWOŚCI PLAZMY Plazma w odróżnieniu od zwykłego gazu: chętnie przewodzi prąd elektryczny, pochłania określone rodzaje promieniowania (α, β, γ, X ), wysyła silne promieniowanie w zakresie światła UV - VIS - NIR i RTG, opór elektryczny plazmy maleje wraz ze wzrostem temperatury (w wysokich temperaturach plazma jest lepszym przewodnikiem niż metale), dla danego rozmiaru plazmy i przy odpowiednim stopniu jonizacji występują siły dalekiego zasięgu (oddziaływania kulombowskie), silnie oddziałuje z polem elektrycznym i magnetycznym (może być odpowiednio przez nie kształtowana i przesuwana). Wytwarzanie plazmy : j. termiczna - ogrzewanie gazu do bardzo wysokich temperatur (rzędu tysięcy K); j. elektryczna - lab. Sandia (2006), USA ( rekordowa plazma o T = K przy natężeniu prądu I = A); j. fotonowa - poprzez absorpcję kwantu promieniowania elektromagnetycznego; jonizacja poprzez bombardowanie atomów cząstkami o wysokich energiach (e, p, α). doświadczalny reaktor plazmowy

12 WYSTĘPOWNIE I ZASTOSOWANIA Plazma w warunkach ziemskich jest rzadko spotykanym stanem materii, ale we Wszechświecie bardzo często (ok. 99% znanej materii Wszechświata): jądro Słońca i innych gwiazd - tzw. gorąca plazma, jonosfera ziemska (zorza polarna) - tzw. zimna plazma, przestrzeń międzygwiezdna (T = 3 K, ale ogromny obszar V pl >> r D ), w wyładowaniach atmosferycznych czy płomieniu łuku elektrycznego, silnik odrzutowy (plazma wysokotemperaturowa). Zastosowania techniczne plazmy: elektronika i technika świetlna - lampy wyładowcze (rtęciowe (Hg), gazowe (Ar), neonówki (Ne), jarzeniówki (Na)); obróbka metali - palniki acetylenowotlenowe, plazmotrony (łuk elektryczny); geofizyka - wykonywanie odwiertów w skorupie ziemskiej na znacznych głębokościach (nawet do 10 km w głąb); energetyka cieplna i termojądrowa - jako źródła energii elektrycznej (kontrolowana reakcja termojądrowa podczas syntezy lekkich jąder 2 1D, 3 2T i izotopu helu 3 2He).

13 CIEPŁO I TEMPERATURA Wielkością charakteryzującą stan ogrzania ciała jest temperatura podawana w pewnej wybranej skali (K, o C, o F). Ciepło jest formą przekazu energii między układem a jego otoczeniem na skutek istniejącej między nimi różnicy temperatur (zawsze od ciała o temp. wyższej do ciała o temp. niższej). Inną formą przekazu energii jest praca - układ (ciało) może ją wykonywać lub może być ona wykonywana nad nim. Energia wewnętrzna (U) to całkowita energia kinetyczna (ruchu cieplnego) i potencjalna (wzajemnego oddziaływania) wszystkich cząsteczek składających się na daną substancję. Proces przekazywania ciepła nazywamy transportem energii lub przewodzeniem ciepła. Ciepło podobnie jak pracę i energię wyrażamy w dżulach [J] lub kaloriach [cal]. 1cal = 4,186 [J]

14 POJEMNOŚĆ CIEPLNA I CIEPŁO WŁAŚCIWE Substancje różnią się od siebie pod względem ilości ciepła niezbędnego do wywołania określonego wzrostu temp. danej masy. Pojemność cieplna (C) - stosunek ilości energii ΔQ dostarczonej do ciała w postaci ciepła, do odpowiadającego tej energii przyrostu temperatury ΔT. C Ciepło właściwe (c) - pojemność cieplna przypadająca na jednostkę masy (masowe ciepło właściwe) lub jednostkę ilości materii (molowe ciepło właściwe). c ΔQ ΔT ΔQ mδt Aby ciepło właściwe było określone jednoznacznie należy podać ściśle warunki (ciśnienie c p lub objętość c V ) w jakich ciepło ΔQ dostarczane było do próbki.

15 CIEPŁO WŁAŚCIWE (w pokojowej temp. i pod ciśnieniem atm.) Substancja Ciepło właściwe c p [ J / kg K ] złoto 129 szkło 837 marmur 860 aluminium 900 drewno 1700 para wodna (100 o C) 2010 woda 4181

16 L = [J/kg] c. topnienia lodu CIEPŁO PRZEMIANY Dostarczenie energii cieplnej do układu (ciała) może prowadzić do jego ogrzania lub jego przemiany fazowej. Przemiana - proces przejścia układu (ciała) z jednego stanu równowagi w inny pod wpływem jakiegoś czynnika zewnętrznego. Ciepło przemiany (L) - stosunek ciepła potrzebnego do zajścia przemiany w danej substancji do masy tej substancji. L Q/m L = [J/kg] c. parowania wody woda + para para woda + lód woda lód Energia dostarczona [J]

17 PRZEJŚCIA MIĘDZY STANAMI Stany skupienia w jakich może występować ciało, nazywamy również fazami ciała. Fazę ciała charakteryzują trzy wielkości makroskopowe: ciśnienie (p), temperatura (T), WYKRES RÓWNOWAGI FAZOWEJ WODY objętość (V). Przemiany fazowe: sublimacja (S G), resublimacja (G S). topnienie (S C), krzepnięcie (C S), parowanie (C G), skraplanie (G C), wrzenie (C G). 273,16 K * temp. punktu potrójnego wody Wykres równowagi fazowej można sporządzić dla dowolnego ciała (niektóre mogą występować w więcej niż trzech fazach więcej krzywych i punktów potrójnych). (S) A (C) B (G) C (c k, T k, V k )

18 DIAGRAM FAZOWY WĘGLA diament ciecz grafit gaz Wykres równowagi fazowej węgla (więcej niż trzy fazy więcej krzywych, dwa punkty potrójne i przejścia fazowe polegające na zmianie sieci krystalicznej).

19 Objętość ROZSZERZALNOŚĆ CIEPLNA WODY Przy zwiększaniu temperatury ciała jego atomy i cząsteczki poruszają się szybciej wykazując tendencję do oddalania się od siebie (rozszerzanie się ciał). średnia odległość międzyatomowa x - odległość międzyatomowa - średnia odległość atomów H 2 O wzrost energii wewnętrznej ciała E 1 E 3 prowadzi do zwiększenia średniej odległości pomiędzy atomami Temperatura Wszystkie ciała, z nielicznymi wyjątkami (woda), niezależnie od stanu skupienia rozszerzają się przy ogrzewaniu i kurczą przy oziębianiu. Najmniejszą objętość, a zatem największą gęstość woda ma w temperaturze 4 o C, poniżej 0 o C woda zamienia się w lód, którego objętość jest znacznie większa, a gęstość mniejsza (lód pływa po wodzie). Zmiana gęstości ogrzewanych ciał: ρ ρ 0 *ρ 0 - gęstość ciała w temp. T 0 1 γδt

20 ROZSZERZALNOŚĆ CIEPLNA Ogrzewanie ciał stałych, cieczy i gazów skutkuje zmianą: wymiarów liniowych powierzchni objętości ΔV γ ΔS S γv 0 ΔT Δl α (dla ciał izotropowych) 0 ΔV V ΔT ΔS S ΔT 0 0 ΔT αl 0 0 ΔT Δl l ΔT *α - współczynnik rozszerzalności liniowej *β - współczynnik rozszerzalności powierzchniowej *γ - współczynnik rozszerzalności objętościowej Δl l 0 ΔS ΔT, 2 ΔT, S 0 ΔV V 0 3 ΔT

21 ROZSZERZALNOŚĆ CIEPLNA nie złączone złączone

22 SPRĘŻYSTOŚĆ Każde ciało poddane działaniu zewnętrznych sił zmienia swą objętość lub kształt lub obie te cechy jednocześnie (zmiany te zależą od ułożenia atomów i wiązań między nimi). Sprężystość (elastyczność) - odwracalna zmiana kształtu lub objętości ciała pod wpływem deformujących sił zewnętrznych (wielkość odkształceń sprężystych jest wprost proporcjonalna do wielkości sił odkształcających). σ F/S, ε 1 σ ε k ΔL/L PRAWO HOOKE a Naprężenie ciała (σ) odkształconego sprężyście jest proporcjonalne do względnego odkształcenia tego ciała (ε). pr. Hooke a * gdzie współczynnik sprężystości (k) jest zależny od właściwości materiału, z którego wykonane jest ciało (przyjmuje różne wartości liczbowe, nazwy i oznaczenia w zależności od rodzaju odkształcenia)

23 NAPRĘŻANIE I SPRĘŻANIE Ciało rozciągnięte jest w stanie naprężenia, podczas ściskania doznaje sprężania. Sprężanie powoduje skrócenie i pogrubienie, naprężanie - wydłużenie i zwężenie. Współczynnik Poissona - stosunek odkształcenia poprzecznego do odkształcenia podłużnego przy osiowym stanie naprężenia (nie określa sprężystości materiału tylko sposób w jaki ciało się odkształca). ε' Δd d * wielkość bezwymiarowa (0.25 μ 0.5) μ ε ΔL L d E - moduł Younga (jednostronne ściskanie lub rozciąganie) G - moduł sztywności (ścinanie) B - moduł ściśliwości objętościowej (wszechstronne ściskanie lub rozciąganie hydrostatyczne)