10.3. Твердое тело
10.3.1. Общие представления о твердых телах
В физике под твердыми телами подразумеваются только кристаллические тела, для которых характерно правильное периодическое расположение составляющих их частиц.
Аморфные тела, у которых такое правильное расположение частиц отсутствует, следует относить к очень вязким переохлажденным жидкостям.
Если правильное периодическое расположение частиц прослежено во всем объеме образца, последний называют монокристаллом. Монокристаллы анизотропны, т.е. их физические свойства зависят от направления в кристалле. В технике чаще встречаются поликристаллические образцы, состоящие из большого числа хаотически расположенных малых кристаллов.
Следствием закономерного расположения частиц в кристаллах является их внешняя форма, представляющая один из правильных многогранников. Для кристаллической формы справедлив закон постоянства двугранных углов: у различных кристаллов одного и того же вещества двугранные углы между гранями остаются постоянными независимо от величины и формы монокристаллов.
В зависимости от типа частиц различают кристаллы:
ионные, молекулярные, атомные и металлические. Структурными частицами этих кристаллов являются соответственно ионы, молекулы или атомы; у металлических кристаллов структурными частицами являются положительные ионы, а отрицательно заряженные электроны свободно движутся между ними.
10.3.2. Теплоемкость твердых тел. Закон Дюлонга и Пти
Частицы кристалла совершают колебательное движение около своих положений равновесия. Полная энергия колебательного движения частицы состоит из суммы кинетической и потенциальной энергий, т.е.
-
.
В среднем для гармонических колебаний кинетическая энергия равна потенциальной, поэтому
-
.
Атом имеет три степени свободы. Поскольку на одну степень свободы приходится энергия, равная (9.8), то средняя энергия колебаний атома
-
.
В одном килограмм-атоме вещества находится число частиц, равное числу Авогадро. Поэтому внутренняя энергия 1 кг-атома химически простого твердого тела
-
,
а атомная теплоемкость
-
.(10.11)
Последнее соотношение носит название закона Дюлонга и Пти: атомная теплоемкость химически простых кристаллических тел не зависит от их природы и равна 3R.
При не очень низких температурах этот закон хорошо выполняется.
10.4. Фазовые равновесия и фазовые переходы
10.4.1. Общие понятия
Фазой называют часть термодинамической системы, свойства которой постоянны во всем ее объеме и которая отделена поверхностью раздела от других частей термодинамической системы. При определённых условиях возможно превращение одних термодинамических фаз в другие, называемое фазовым переходом.
Различают фазовые переходы первого и второго рода. Фазовые переходы первого рода сопровождаются поглощением или выделением некоторого количества теплоты. При фазовом переходе первого рода скачкообразно изменяются такие параметры фазы, как ее плотность, вязкость и др. Примеры фазовых переходов первого рода – плавление и испарение.
Фазовые переходы второго рода происходят без затрат теплоты. Для них характерно скачкообразное изменение теплоемкости, коэффициента теплового расширения. Фазовые переходы второго рода связаны со скачкообразным изменением симметрии системы. Примерами фазовых переходов второго рода являются переход ферромагнетик - парамагнетик, переход металла из нормального в сверхпроводящее состояние и др.