3. Агрегатний стан речовини - тверде тіло

Тверде тіло, одне з чотирьох агрегатних станів речовини, що відрізняється від ін агрегатних станів (рідини, газів, плазми) стабільністю форми теплового руху атомів, які роблять малі коливання близько положень рівноваги. Поряд з кристалічним станом Т. т. існує аморфний стан, у тому числі склоподібного стану. Кристали характеризуються далеким порядком в розташуванні атомів. У аморфних тілах дальній порядок відсутній.

Т. т. - основний матеріал, використовуваний людиною. Від крем'яних знарядь неандертальця до сучасних машин і механізмів - у всіх технічних пристосуваннях, створених людиною, використовуються різні властивості Т. т. Якщо на ранніх ступенях розвитку цивілізації використовувалися механічні властивості Т. т., які безпосередньо відчутні людиною (твердість, маса, пластичність, пружність, крихкість і т. п.), і Т. т. застосовувалося лише як конструкційний матеріал, то в сучасному суспільстві використовується величезний арсенал фізичних властивостей Т. т. (електричних, магнітних, теплових та ін), як правило, не доступних безпосередньому людського сприйняття, що виявляються тільки при лабораторних дослідженнях.

Механічні властивості Т. т. (реакції на зовнішні механічні дії - стиснення, розтяг, вигин, удар і т. д.) визначаються силами зв'язку між його структурними частками. Різноманіття цих сил призводить до різноманітності механічних властивостей: одні Т. т. пластичні, інші тендітні. Зазвичай метали, в яких сили зв'язку визначаються колективним дією електронів провідності, більш пластичні, ніж діелектрики; наприклад, деформація Cu при кімнатній температурі у момент розриву досягає декількох десятків%, а NaCI руйнується майже без деформації (крихкість). Механічні характеристики змінюються з температурою, наприклад з підвищенням температури пластичність зазвичай збільшується. У більшості Т. т. реакція на зовнішній механічний вплив залежить від його темпу: крихке при ударі Т. т. може витримати значно більшу статичне навантаження.

При невеликих статичних навантаженнях у всіх Т. т. спостерігається лінійне співвідношення між напругою і деформацією (Гука закон). Така деформація називається пружною. Пружна деформація оборотна: при знятті напруги вона зникає. Для ідеального монокристалу (без дефектів) область оборотної деформації спостерігалася б аж до руйнування, причому межа міцності повинен був би відповідати силам зв'язку між атомами. При великих навантаженнях реакція реального Т. т. істотно залежить від дефектності зразка (від наявності або відсутності дислокацій, від розмірів кристалічних зерен і т. п.) - руйнування починається в самих слабких місцях. Дислокація - найбільш рухливий дефект кристалу, тому саме дислокації в більшості випадків визначають його пластичність. Поява (народження) і переміщення дислокації - елементарні акти пластичності.

Теплові властивості Т. т. У більшості Т. т. теплоємність С при кімнатних температурах наближено підпорядковується Дюлонга і Пті закону: З = 3 R кал / моль (R - газова постійна). Закон Дюлонга і Пті - наслідок того, що за теплові властивості Т. т. при високих температурах відповідальні коливальні рухи атомів, що підкоряються закону равнораспределенія (середня енергія, що припадає на одну коливальну ступінь свободи, дорівнює kT). Спостережувані при високих температурах відхилення від закону Дюлонга і Пті пояснюються підвищенням ролі Слонімського коливань. Зниження температури призводить до зменшення теплоємності; завдяки квантовому "заморожування" середня енергія коливання Ek, обумовлена ​​виразом:, менше kT. При самих низьких температурах частина теплоємності, обумовлена ​​коливаннями решітки, С ~ T ^3. Коливальна частина теплоємності Т. т. може бути представлена як теплоємність газу фононів.

Теплопровідність залежить від типу Т. т. Метали мають значно більшу теплопровідність, ніж діелектрики, що пов'язано з участю електронів провідності в перенесенні тепла (див. нижче). Теплопровідність - структурно чутливе властивість. Коефіцієнт теплопровідності залежить від кристалічного стану (моно-або полікристали), наявності або відсутності дефектів і т. п. Явище теплопровідності зручно описувати, використовуючи концепцію квазічастинок. Всі квазічастинки (насамперед фонони) переносять тепло, причому, згідно з кінетичної теорії газів, внесок кожного з газів квазічастинок у коефіцієнт теплопровідності можна записати у вигляді:, де g - чисельний множник, С - теплоємність,? - Середня теплова швидкість, l - довжина вільного пробігу квазічастинок. Величина l визначається розсіюванням квазічастинок, яке в разі фонон-фононних зіткнень - наслідок ангармонійності коливань.