7.4 Тепловые свойства кристаллов

Вещество может находиться в твёрдом состоянии при достаточно низких температурах, когда энергия тепловых движений частиц много меньше потенциальной энергии взаимодействия частиц между собой, поэтому колебания частиц около положения равновесия являются относительно малыми. При абсолютном нуле температуры всякие тепловые колебания частиц вещества исчезают. Кристалл должен быть строго упорядочен, а его энтропия равна нулю. При передаче теплоты твёрдому телу, теплота расходуется на увеличение энергии колебаний частиц-осцилляторов около положения равновесия. Эта энергия складывается из кинетической и потенциальной энергий колеблющихся частиц. Полную внутреннюю энергию твёрдого тела, состоящего из Nчастиц с учётом всех степеней свободы частиц определяют по формуле:

(7.1)

Внутренняя энергия одного моля твёрдого вещества равна . При нагревании твёрдого тела можно пренебречь изменением его объёма и считать, что вся теплота, подведённая к телу, идёт на увеличение его внутренней энергии. Молярная теплоёмкость твёрдого телав этом случае приблизительно равна 25 Дж/(моль^.К). Исследуя теплоёмкость твёрдых тел в широком диапазоне температур, Дюлонг и Пти пришли к выводу (закон Дюлонга и Пти), что молярная теплоёмкость твёрдых тел есть величина постоянная, одинаковая для всех веществ и не зависящая от температуры.

Однако, дальнейшие исследования температурных зависимостей теплоёмкостей веществ показали, что при обычных температурах теплоёмкости четырёх веществ: бериллия (Ве), бора (В), кремния (Si) и алмаза – значительно ниже 3R. С повышением температуры теплоёмкость этих веществ растёт, стремясь к 3R. Позднее было обнаружено отклонение от закона Дюлонга и Пти для всех веществ при низких температурах, близких к абсолютному нулю. Причём, теплоёмкость стремится к нулю при стремлении температуры к абсолютному нулю. Таким образом, была обнаружена зависимость теплоёмкости твёрдых тел от температуры в области низких температур, причём теплоёмкость убывала по закону:С~1/Т ³ . Попытки объяснить температурную зависимость (рис.7.1) теплоёмкости твёрдых тел были сделаны Эйнштейном. Однако правильное объяснение такой зависимости было дано Дебаем на основе квантовых законов.

7.5 Жидкие кристаллы

При плавлении некоторые кристаллические вещества проходят через несколько промежуточных фаз – мезофаз. Физические свойства мезофаз обладают пространственной анизотропией. Как жидкости они обладают высокой пластичностью, способностью к образованию капель и некоторыми другими свойствами, присущими жидкостям. Из-за этих свойств вещества в таких состояниях называютжидкими кристаллами.

В зависимости от условий образования жидкие кристаллы делят на термотропные, лиотропные и фототропные. Термотропные жидкие кристаллы образуются при изменении температурного режима.Лиотропныежидкие кристаллы образуются при растворении твёрдых кристаллов в некоторых растворителях.Фототропныежидкие кристаллы образуются под воздействием излучения. В основном жидкокристаллическое состояние наблюдается у органических веществ с сильно вытянутыми макромолекулами.

В зависимости от ориентации молекул жидкие кристаллы делят на смектические, нематические и холестерические.Смектические жидкие кристаллы характеризуются одномерной пространственной упорядоченностью, слоистостью в расположении молекул (рис.7.2).Нематическиежидкие кристаллы имеют ориентационную упорядоченность (рис.7.3). Они выстраиваются так, что их оси параллельны друг другу, но пространственной упорядоченности нет.

Холестерические жидкие кристаллы характеризуются такой ориентацией молекул, что их оси при переходе от слоя к слою располагаются по винтовой линии (рис.7.4).

Жидкие кристаллы изменяют свои свойства под действием различных внешних факторов: температуры, электрических и магнитных полей, механических деформаций, излучения. Поэтому жидкие кристаллы получили широкое применение в индикаторных устройствах, в системах хранения и обработки информации.