Инженерная графика
Физика
Атомные станции
Строймех
ТКМ
Начертательная геометрия
Экология энергетики
Сопромат
Готика
Черчение
Теплотехника
Математика

Театр

Конспект лекций
Атомная энергетика
Карта

Агрегатные состояния.

Фазой называют макроскопически однородную часть системы, взаимодействующую с другими частями и отделенную от них гра­ницами раздела. Физические свойства и химический состав фазы в среднем одинаковы или плавно изменяются от точки к точке. При переходе от одной фазы к другой свойства и состав меняются скачкообразно.

Различают газовую, жидкие и твердые фазы. Материалы, входящие в систему, могут находиться в разных фазах. Например, вода в сосуде из пластика, армированного стекловолокном. В этой системе вода, стекло и пластик (а также попавший воздух) образуют самостоятельные фазы. Многофазные системы содержат границы, которые представляют собой нарушения непрерывности структуры и состава или только состава.

В системе может существовать только одна газовая фаза. Упаковка атомов и молекул в газах настолько низка, что каждая молекула практически независима от других и не существует определенного порядка в их расположении. Структура на уровнях выше молекулярного оказывается хаотической.

Жидких фаз в системе может быть одновременно несколько; характерным примером служит система вода — масло — жидкая ртуть. Эти три жидкие фазы не смешиваются, и между ними имеются фазовые границы, соответствующие нарушению непрерывности структуры и состава.

В зависимости от соотношения энергии теплового движения частиц (атомов, ионов или молекул), образующих данное вещество, и энергии их взаимодействия все материалы при нормальных условиях могут находиться в газообразном, жидком или твердом состоянии. Особым видом существования вещества является плазменное состояние, которое образуется при высоких температурах (выше 5000 °С) или при воздействии электрических разрядов и представляет собой сильно ионизированный газ. Переход вещества из газообразного состояния в жидкое и далее в твердое сопровождается ростом упорядоченности в расположении частиц в пространстве.

Вещества находятся в газообразном состоянии тогда, когда энергия теплового движения частиц превышает энергию их взаимодействия. Такими частицами в газах являются молекулы: реже одноатомные (Не, Ne, Аг, Кг, Хе, Rn), чаще двух-, трех- и многоатомные ( N2, О2, Н2, СО2, Н2О, СН4, С2Н6 и т. п.). Молекулы газа находятся в постоянном хаотическом движении. Под действием внешних энергетических воздействий очень незначительная часть молекул ионизирует с образованием ионов и электронов.

В жидком состоянии энергия теплового движения частиц, образующих вещество, сравнима с энергией их взаимодействия. В диэлектриках этими частицами являются молекулы органических веществ, которые образуют неустойчивые комплексы, непрерывно распадающиеся и вновь образующиеся. Если молекулы полярные, то часть их будет диссоциирована на положительные и отрицательные ионы. В жидкостях имеет место ближний порядок — некоторая закономерность в расположении частиц, находящихся в непосредственной близости.

Неионизированные газы и недиссоциированные жидкости являются диэлектриками. Сильно ионизированные газы (плазма), расплавы и водные растворы электролитов представляют собой проводники второго рода.

В твердом состоянии энергия взаимодействия частиц, образующих вещество, значительно превышает энергию их теплового движения. Такими частицами являются атомы, ионы или молекулы, которые расположены либо в геометрически правильном порядке, образуя кристаллическое тело, либо хаотически, в беспорядке, образуя аморфное тело.

В аморфных телах в расположении частиц (атомов, ионов или молекул) имеет место только ближний порядок. Они проявляют изотропность свойств — имеют одинаковые физико-химические свойства во всех трех измерениях или, другими словами, не зависят от ориентации системы координат. Материалы с такими свойствами часто называют изотропными. Строение твердых тел, находящихся в аморфном состоянии, сходно со строением жидкостей. Для них, в отличие от жидкостей, характерна очень высокая вязкость.

В кристаллических телах наблюдается как ближний, так и дальний порядок расположения частиц, т. е. частицы размещаются в пространстве на определенном расстоянии друг от друга в геометрически правильном порядке, образуя кристалл. В кристалле сформирована пространственная кристаллическая решетка. Многократно повторяющимся элементом решетки является элементарная (кристаллографическая) ячейка, вершины которой называют узлами, а расстояние между двумя соседними узлами — периодом или постоянной решетки. Для описания элементарных ячеек пользуются координатными (кристаллографическими) осями х, у, z, которые проводят параллельно ребрам элементарной ячейки, а начало координат выбирают в левом углу передней грани (рисунок 2.1, а).

Каждое вещество имеет кристаллы определенной формы, которая отражает их внутреннее строение и зависит от химического состава. Форма кристаллов определяется величиной периодов а, b, с и осевых углов α, β, γ (рисунок 2.1, а). Геометрически возможны лишь четырнадцать различных пространственных решеток, образующих семь кристаллографических систем (сингоний), приведенных на рисунок 2.1, б. Раскалываются кристаллы легче по определенным плоскостям, называемым плоскостями спайности.

Характерной особенностью кристаллических тел, отличающей их от жидкостей и газов, является анизотропия — зависимость ряда физико-химических свойств (механических, электрических, магнитных, оптических, тепловых и др.) от ориентации системы координат (осей х, у, z). Анизотропия значительно проявляется только у монокристаллов и слабо у текстурированных материалов. Материалы, проявляющие анизотропию свойств, часто называют анизотропными.

Монокристалл — это большой одиночный кристалл, имеющий правильную форму многогранника, обусловленную его химическим составом. В природе некоторые минералы встречаются в виде монокристаллов. В полупроводниковой технике монокристаллы выращивают с помощью специальных технологий. Однако большинство кристаллических веществ являются поликристаллическими. Они состоят из множества сросшихся мелких кристаллов, не имеющих одинаковой ориентации (рисунок 2.1, в), и поэтому проявляют изотропность физических свойств. При кристаллизации вещества кристаллы сталкиваются друг с другом и теряют правильную геометрическую форму. Такие кристаллы называют кристаллическими зернами, просто зернами или кристаллитами. Они малы и в обычных металлах их можно увидеть только в микроскоп. Размер кристаллического зерна и его форма влияют на механические, электрические и магнитные свойства материалов.

Рисунок 2.1 - Схематическое строение кристаллической решетки (а),

 семи кристаллографических систем (б), и

 поликристаллического тела (в)


Электротехнические материалы