Тепловое расширение тел (стр. 3 из 6)
Висока концентрація вільних електронів у металів зумовлює їхню добру електро- та теплопровідність. Метали оптично непрозорі, мають велику відбивну здатність, тому для них характерний специфічний металічний блиск.
У вузлах кристалічних решіток молекулярних кристалів розміщені певним способом орієнтовані молекули. Характерною для молекулярних кристалів є геометрична відокремленість молекул кристала і сильні внутрішньомолекулярні зв'язки. Це означає, що енергія внутрішньомолекулярних зв'язків значно перевищує енергію міжмолекулярних зв'язків. Силами зв'язку в цьому разі є сили Ван-дер-Ваальса та водневі зв'язки, коли молекули мають гідроксильні ОН та амінні NH2групи. Переважна більшість молекулярних кристалів – це органічні кристали. Молекулярні неорганічні кристали трапляються рідко. До них належать речовини, молекули яких складаються з азоту, фосфору, сірки та ін.
Молекулярні кристали за фізичними властивостями є ізоляторами, мають низьку температуру плавлення, прозорі для широкого інтервалу електромагнітних хвиль.
2.3. Теплове розширення тіл
Із підвищенням температури відбувається теплове розширення твердих тіл. Очевидно, що при нагріванні зростає амплітуда коливань атомів та молекул в вузлах кристалічної гратки і об’єм кристала збільшується при збільшенні середньої відстані між частинками. Кількісно теплове розширення характеризують за допомогою коефіцієнта лінійного
та об’ємного розширення 
: 
, 
.Тоді для розмірів твердого тіла можна записати рівність:
Для конструкційних твердих тіл можна приблизно вважати, що
, а із значеннями величин коефіцієнта теплового розширення твердих тіл можна ознайомитися у таблиці Додатку 3. рівність найбільш точно справджується для аморфних тіл та кристалів кубічного виду. Для твердих тіл величина порядку 
. Коефіцієнт лінійного розширення мало залежить від температури. Табличні значення володіють достатньою точністю в інтервалі температур від 0ºС до 100 ºС. Для більшості твердих тіл 
. Це цілком природно, оскільки більш інтенсивний тепловий рух ніби розштовхує частинки. Досить мале значення коефіцієнта розширення для плавленого кварцу та інвару. Ці матеріали широко використовують у точному приладобудуванні, коли потрібно уникнути зміни розмірів деталей при коливанні температур.Для різних напрямків у кристалах відстані між структурними частинками та сили взаємодії між ними не однакові. Отже теплове розширення у кристалах має анізотропний характер. Лінійні коефіцієнти розширення залежать від симетрії кристала.
Розділ 3. Методика проведення уроків при вивченні теми «Теплове розширення тіл»
Приступаючи до вивчення нового матеріалу, треба врахувати, що з курсів фізики й хімії попередніх класів учні вже мають певні уявлення про пружні та пластичні властивості твердих тіл. Ці уявлення треба використати, доповнити й узагальнити.
Пригадують, що звичайно твердим називають тіло, яке зберігає свою форму та об'єм. Інша характерна ознака твердого тіла – його міцність. Розірвати тіло на частини можна лише при певній деформації. Однак це зовнішні ознаки, які характеризують твердий стан речовини.
3 фізичної точки зору вони не дають можливості чітко розмежувати твердий і рідкий стани речовини. За цими
ознаками, наприклад, аморфні речовини є твердими тілами, а за внутрішньою будовою вони – рідини.
Властивості твердих тіл на основі молекулярно-кінетичної теорії пояснюють після розгляду процесу тверднення рідини. Учні вже знають, що газ перетворюється в рідину тоді, коли внаслідок зближення молекул густина речовини зростає приблизно в 1000 раз, а відстані між молекулами зменшуються в 10 разів. Відповідно до цього в багато тисяч раз зростають сили взаємодії між молекулами. Тут логічним є припущення, що при твердненні молекули зближуються ще більше, а сили взаємодії зростають ще значніше. Однак досліди показують, що густина речовини в твердому стані дуже мало відрізняється від густини тієї самої речовини в рідкому стані. Більше того, буває й так, що густина в твердому стані менша, ніж у рідкому. Наприклад, густина води дорівнює 1000 кг/м3, тоді як льоду - порядку 920 кг/м3. Звідси випливає, що в твердому тілі середні відстані між молекулами майже такі самі, атому й сили взаємодії між ними однакові.
Сили взаємодії кожної молекули з сусідніми дуже великі, внаслідок чого молекули рідини коливаються навколо деяких середніх положень стійкої рівноваги. Практично молекули рідини через дуже малі проміжки часу (близько однієї стомільйонної частки секунди) стрибком переміщуються в просторі, що обумовлює текучість рідин. Отже, рідина складається з безлічі мікроскопічних областей, для яких характерним є певний порядок у розміщенні сусідніх молекул. Цей порядок змінюється з часом і в просторі, тобто не повторюється в усьому об'ємі рідини. Про таку структуру кажуть, що вона має близький порядок.
Однак, якщо істотно знизити температуру рідини і тим самим зменшити кінетичну енергію її молекул, то вони вже не зможуть виходити з положень стійкої рівноваги, а розмістяться в них. Саме це й відбуватиметься при твердненні рідини.
Щоб усі молекули були в стані стійкої рівноваги, треба, щоб кожна з них була розміщена однаково відносно інших молекул. Це означає, що біля кожної молекули має бути та сама кількість однаково розміщених молекул. На мал. 1, а кожна молекула (наприклад, молекула 0) має чотирьох найближчих сусідів (1, 2, 3 і 4), а на мал. 1, б – шістьох найближчих сусідів.
Учні приходять до висновку, що в твердому тілі частинки розміщуються в певному порядку, тоді як у рідині і газі такого порядку немає. Під час тверднення рідини частинки стрибкоподібно переходять від хаотичного до впорядкованого розміщення. Процес супроводиться зменшенням потенціальної енергії взаємодії частинок: адже кожна з них переходить у положення, де потенціальна енергія мінімальна.Мал. 1. Розташування молекул в речовині.
Залишити ці місця вони можуть тільки тоді, коли зовнішня сила виконає певну роботу. Саме тому тверді тіла й зберігають свою форму.
Далі пояснюють, що правильно розміщені частинки твердого тіла (молекули, іони, атоми) утворюють кристалічну (просторову) решітку. Точки в кристалічній решітці, які відповідають стійкому положенню рівноваги частинок, називають вузлами решітки. Важливо показати, що правильне розміщення вузлів решітки всередині кристала періодично повторюється. Це означає, що коли на якійсь прямій відстань між найближчими вузлами дорівнює а (мал. 2), то на відстані па від першого вузла на цій самій прямій у кристалічній решітці лежить такий самий п-й вузол. Правильне розміщення частинок у вузлах решітки кристала називають далеким порядком.
Мал. 2.
Учні повинні зрозуміти, що головною ознакою твердого тіла є його кристалічна структура, або, інакше кажучи, у твердого тіла обов'язково повинен бути дальній порядок розміщення частинок.
При викладанні будови кристалів потрібно пояснити характеру руху молекул у твердих тілах. Той факт, що в твердому тілі кожна частинка розміщена в певному місці – у вузлі кристалічної решітки, - не означає, що частинки в твердих тілах нерухомі. Частинки в твердому тілі також хаотично рухаються, а середня їх кінетична енергія визначає температуру тіла. Однак теплові рухи частинок твердого тіла не такі вільні, як у газах чи навіть у рідинах. У твердому тілі частинки здійснюють малі порівняно з відстанями між ними хаотичні коливання в усіх можливих площинах навколо вузлів кристалічної решітки. З підвищенням температури амплітуда цих коливань зростає.
За певних умов утворення кристалів упорядковане розміщення частинок веде до того, що зовнішня форма кристала буде правильною: кристал має форму багатогранника, обмеженого гладенькими плоскими гранями. Таку форму мають багато природних кристалів. Доцільно роздати учням зразки різних кристалів і запропонувати розглянути їх крізь лупу. Зразки кристалів можна отримати у шкільному кабінеті хімії та географії або ж виростити самотужки. Можна виростити кристали кухонної солі, гіпсу сульфату міді. Слід підкреслити, що в кристалів кожної речовини кути між гранями завжди мають цілком певне значення. Вимірявши ці кути в одного кристала, ми тим самим знатимемо, що всі інші кристали цієї ж речовини мають такі самі кути, хоч кристали можуть мати різний зовнішній вигляд.
Далі вводять поняття про монокристал і полікристалічну будову твердих тіл. Приклади монокристалів: гірський кришталь, алмаз, рубін, топаз, гранат. Приклади полікристалів: усі метали й сплави, більшість природних кристалічних тіл. Бажано, щоб учні розглянули крізь лупу полікристалічну структуру металу на свіжому зламі цинкової пластинки.