4. Твердое тело

Многие тела, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, – твердые, имеющие устойчивые формы. В зависимости от структуры различают кристаллические и аморфные тела.

Кристалл – естественное образование правильной геометрической формы. Атомы или молекулы в кристаллическом веществе беспорядочно совершают колебания около положений равновесия, расположенных в узлах кристаллической решетки. В зависимости от формы ячеек решетки изменяются свойства вещества. Так, уголь, алмаз и графит состоят из одинаковых атомов углерода. Но и у них разной формы решетки и поэтому совершенно различные свойства. Явление образования различных кристаллических структур одинаковыми атомами или молекулами называется полиморфизмом²⁷.

Физические свойства кристаллов – прочность, теплопроводность, электропроводность и т.п. – различны по направлениям – кристаллы обладают анизотропией²⁸. Некоторые кристаллические вещества изотропны потому, что состоят из кристаллов, ориентированных беспорядочно. Такие вещества называются поликристаллическими. Например, соль состоит из анизотропных кристаллов, но изотропна. В современной физике твердыми телами называют только кристаллические тела. Характерным признаком кристаллических веществ является наличие температуры плавления.

Аморфные тела не имеют кристаллической структуры, при увеличении температуры постепенно размягчаются, они являются очень вязкими или переохлажденными жидкостями. Таким образом, наличие твердости не служит существенным признаком состояния (стекло достаточно твердо), нужно изучить структуру вещества.

Кристаллическая структура вещества связана с минимумом потенциальной энергии. Поэтому при длительном пребывании в соответствующих условиях аморфное вещество может кристаллизоваться. Так мутнеет стекло или засахаривается варенье.

Идеальный порядок в кристаллической решетке нарушается хаотическим движением атомов. Кроме того, в реальных веществах встречаются атомы примесей, внедренных в кристаллическую решетку, недостает атомов или даже группы атомов, т.е. наблюдаются разнообразные искажения кристаллической структуры – дислокации. С наличием дислокаций связаны такие свойства вещества, как пластичность, прочность, электрическое сопротивление. Так, разрушается образец именно в местах дислокаций. Изготовив в лабораторных условиях образец без дислокаций, можно получить прочность на несколько порядков выше, чем у необработанных материалов.

4. Термодинамика

Термодинамика – часть физики, в которой изучаются наиболее общие закономерности преобразования энергии. Тела обладают запасами внутренней энергии. При прочих равных условиях большей внутренней энергией обладает более нагретое тело. Если приведены в соприкосновение два вещества с разными температурами, то наблюдается процесс передачи энергии без совершения работы – теплообмен, который происходит за счет обмена энергиями хаотически движущихся молекул (кондуктивный²⁹ – теплопроводность или конвективный³⁰ – при движении струи жидкости или газа). Более сложный вид теплообмена – излучение. Это теплообмен посредством электромагнитного поля, он не требует соприкосновения обменивающихся энергиями веществ: так энергия Солнца передается на Землю через космическое пространство. Но и здесь, чтобы энергия тел заметно изменялась, необходимо наличие разности температур. При этом энергия самопроизвольно переходит от тела с большей к телу с меньшей температурой.