FIZIKA 8. RAZRED
Izvještaj na temu:
“Amorfna tijela. Topljenje amorfnih tela.”
Učenik 8. razreda:
2009
Amorfna tela.
Hajde da napravimo eksperiment. Treba nam komad plastelina, stearinska svijeća i električni kamin. Postavimo plastelin i svijeću na jednake udaljenosti od kamina. Nakon nekog vremena dio stearina će se otopiti (postati tekući), a dio će ostati u obliku čvrstog komada. U isto vrijeme, plastelin će samo malo omekšati. Nakon nekog vremena sav stearin će se otopiti, a plastelin će postupno "korodirati" duž površine stola, omekšavajući sve više i više.
Dakle, postoje tijela koja pri topljenju ne omekšaju, već se iz čvrstog stanja odmah pretvaraju u tekućinu. Prilikom topljenja takvih tijela uvijek je moguće odvojiti tekućinu od još neotopljenog (čvrstog) dijela tijela. Ova tijela jesu kristalno. Postoje i čvrste materije koje, kada se zagreju, postepeno omekšaju i postaju sve tečnije. Za takva tijela je nemoguće naznačiti temperaturu na kojoj se pretvaraju u tekućinu (topi se). Ova tijela se zovu amorfna.
Hajde da uradimo sledeći eksperiment. Bacite komad smole ili voska u stakleni lijevak i ostavite ga unutra topla soba. Nakon otprilike mjesec dana, ispostavit će se da je vosak poprimio oblik lijevka i da je čak počeo da teče iz njega u obliku "potoka" (slika 1). Za razliku od kristala, koji gotovo zauvijek zadržavaju svoj oblik, amorfna tijela pokazuju fluidnost čak i na niskim temperaturama. Stoga se mogu smatrati vrlo gustim i viskoznim tekućinama.
Struktura amorfnih tijela. Istraživanja pomoću elektronskog mikroskopa, kao i pomoću rendgenskih zraka, pokazuju da u amorfnim tijelima ne postoji strogi red u rasporedu njihovih čestica. Pogledajte, slika 2 prikazuje raspored čestica u kristalnom kvarcu, a ona desno prikazuje raspored čestica u amorfnom kvarcu. Ove supstance se sastoje od istih čestica - molekula silicijum oksida SiO 2.
Kristalno stanje kvarc se dobija ako se rastopljeni kvarc polako hladi. Ako je hlađenje taline brzo, tada molekuli neće imati vremena da se "poređaju" u uredne redove, a rezultat će biti amorfni kvarc.
Čestice amorfnih tijela osciliraju kontinuirano i nasumično. Mogu skakati s mjesta na mjesto češće od kristalnih čestica. To je također olakšano činjenicom da su čestice amorfnih tijela smještene nejednako gusto: između njih postoje praznine.
Kristalizacija amorfnih tijela. Vremenom (nekoliko mjeseci, godina) amorfne tvari spontano prelaze u kristalno stanje. Na primjer, šećerne bombone ili svježi med ostavljeni na toplom mjestu postat će neprozirni nakon nekoliko mjeseci. Kažu da su med i slatkiši „ušećereni“. Razbijanjem slatkiša ili žličicom grabimo med, zapravo ćemo vidjeti kristale šećera koji su se formirali.
Spontana kristalizacija amorfnih tijela ukazuje da je kristalno stanje tvari stabilnije od amorfnog. Intermolekularna teorija to objašnjava na ovaj način. Intermolekularne sile privlačenja i odbijanja uzrokuju da čestice amorfnog tijela skaču prvenstveno tamo gdje postoje praznine. Kao rezultat, pojavljuje se uređeniji raspored čestica nego prije, odnosno formira se polikristal.
Topljenje amorfnih tijela.
Kako temperatura raste, energija vibracijskog kretanja atoma u njoj čvrsto telo raste i, konačno, dolazi trenutak kada veze između atoma počinju da se kidaju. U tom slučaju, čvrsta tvar prelazi u tečno stanje. Ova tranzicija se zove topljenje. Pri fiksnom pritisku, topljenje se odvija na strogo određenoj temperaturi.
Količina topline potrebna za pretvaranje jedinice mase tvari u tekućinu na njenoj tački se naziva specifična toplota topljenje λ .
Da se otopi supstanca mase m potrebno je potrošiti količinu topline jednaku:
Q = λ m .
Proces topljenja amorfnih tijela razlikuje se od topljenja kristalna tela. Kako temperatura raste, amorfna tijela postepeno omekšaju i postaju viskozna dok ne pređu u tekućinu. Amorfna tela za razliku od kristala, oni nemaju određenu tačku topljenja. Temperatura amorfnih tijela se kontinuirano mijenja. To se dešava zato što se u amorfnim čvrstim materijama, kao iu tečnostima, molekule mogu kretati jedna u odnosu na drugu. Kada se zagriju, njihova brzina se povećava, a udaljenost između njih se povećava. Kao rezultat, tijelo postaje sve mekše i mekše dok se ne pretvori u tekućinu. Kada se amorfna tijela stvrdnu, njihova temperatura također kontinuirano opada.
Za razliku od kristalnih čvrstih materija, ne postoji strogi poredak u rasporedu čestica u amorfnoj čvrstoj materiji.
Iako amorfne čvrste tvari mogu zadržati svoj oblik, one nemaju kristalnu rešetku. Određeni obrazac se opaža samo za molekule i atome koji se nalaze u blizini. Ova naredba se zove zatvori red . Ne ponavlja se u svim smjerovima i ne opstaje na velikim udaljenostima, kao kod kristalnih tijela.
Primjeri amorfnih tijela su staklo, ćilibar, umjetne smole, vosak, parafin, plastelin itd.
Osobine amorfnih tijela
Atomi u amorfnim tijelima vibriraju oko tačaka koje su nasumično locirane. Stoga struktura ovih tijela podsjeća na strukturu tekućina. Ali čestice u njima su manje pokretne. Vrijeme kada osciliraju oko ravnotežnog položaja je duže nego u tekućinama. Skokovi atoma na drugu poziciju također se dešavaju mnogo rjeđe.
Kako se kristalne čvrste materije ponašaju kada se zagreju? Počinju da se tope na određenom tačka topljenja. I neko vrijeme su istovremeno u čvrstom i tekućem stanju, dok se cijela tvar ne otopi.
Amorfne čvrste materije nemaju određenu tačku topljenja . Kada se zagreju, ne tope se, već postepeno omekšaju.
Stavite komad plastelina blizu uređaja za grijanje. Nakon nekog vremena postat će mekana. To se ne dešava odmah, već u određenom vremenskom periodu.
Budući da su svojstva amorfnih tijela slična svojstvima tekućina, smatraju se prehlađenim tekućinama vrlo visokog viskoziteta (zamrznute tekućine). At normalnim uslovima ne mogu da teku. Ali kada se zagrije, skokovi atoma u njima se češće javljaju, viskoznost se smanjuje, a amorfna tijela postupno omekšaju. Što je temperatura viša, to je niži viskozitet i postepeno amorfno tijelo postaje tečno.
Obično staklo je čvrsto amorfno tijelo. Dobija se topljenjem silicijum oksida, sode i vapna. Zagrevanjem smeše na 1400 o C dobija se tečna staklena masa. Prilikom hlađenja tečno staklo ne skrućuje se kao kristalna tijela, već ostaje tekućina, čiji se viskozitet povećava, a fluidnost smanjuje. U normalnim uslovima nam se čini kao čvrsto telo. Ali u stvari to je tečnost koja ima ogroman viskozitet i fluidnost, toliko nisku da se jedva može razlikovati od najosetljivijih instrumenata.
Amorfno stanje supstance je nestabilno. Vremenom se postepeno pretvara iz amorfnog u kristalno stanje. Ovaj proces u različite supstance prolazi sa različitim brzinama. Vidimo štapiće bombona kako se prekrivaju kristalima šećera. Ovo ne oduzima mnogo vremena.
A da bi se u njemu formirali kristali obično staklo, mora proći dosta vremena. Tokom kristalizacije staklo gubi snagu, prozirnost, postaje mutno i postaje krto.
Izotropija amorfnih tijela
U kristalnim čvrstim materijama fizička svojstva variraju u različitim smjerovima. Ali u amorfnim tijelima oni su isti u svim smjerovima. Ovaj fenomen se zove izotropija .
Amorfno tijelo provodi elektricitet i toplinu jednako u svim smjerovima i podjednako lomi svjetlost. Zvuk također putuje jednako u amorfnim tijelima u svim smjerovima.
Svojstva amorfnih supstanci koriste se u moderne tehnologije. Od posebnog interesa su legure metala koje nemaju kristalnu strukturu i pripadaju amorfnim čvrstim materijama. Oni se nazivaju metalne čaše . Njihova fizička, mehanička, električna i druga svojstva razlikuju se od sličnih svojstava običnih metala na bolje.
Tako se u medicini koriste amorfne legure čija je čvrstoća veća od titanijuma. Koriste se za izradu vijaka ili ploča koje spajaju slomljene kosti. Za razliku od titanijumskih zatvarača, ovaj materijal se postupno raspada i vremenom ga zamjenjuje koštani materijal.
Legure visoke čvrstoće koriste se u proizvodnji alata za rezanje metala, okova, opruga i dijelova mehanizama.
U Japanu je razvijena amorfna legura visoke magnetne permeabilnosti. Upotrebom u jezgri transformatora umjesto teksturiranih transformatorskih čeličnih limova, gubici vrtložnih struja mogu se smanjiti za 20 puta.
Amorfni metali imaju jedinstvena svojstva. Nazivaju se materijalom budućnosti.
Mora se imati na umu da nemaju sva tijela koja postoje na planeti Zemlji kristalnu strukturu. Izuzeci od pravila nazivaju se "amorfna tijela". Po čemu se razlikuju? Na osnovu prijevoda ovaj termin- amorfne - može se pretpostaviti da se takve tvari razlikuju od drugih po svom obliku ili izgledu. Govorimo o odsustvu takozvane kristalne rešetke. Proces cijepanja koji proizvodi ivice se ne događa. Amorfna tijela se također razlikuju po tome što ne ovise o okruženje, a njihova svojstva su konstantna. Takve tvari se nazivaju izotropne.
Kratak opis amorfnih tijela
Od školski kurs Fizičari se mogu sjetiti da amorfne tvari imaju strukturu u kojoj su atomi u njima raspoređeni u haotičnom redu. Određenu lokaciju mogu imati samo susjedni objekti kod kojih je takav raspored iznuđen. Ali ipak, povlačeći analogiju s kristalima, amorfna tijela nemaju strogi poredak molekula i atoma (u fizici se ovo svojstvo naziva „redoslijed dugog dometa“). Kao rezultat istraživanja, ustanovljeno je da su ove tvari po strukturi slične tekućinama.
Neka tijela (na primjer, možemo uzeti silicijum dioksid čija je formula SiO 2) mogu istovremeno biti u amorfnom stanju i imati kristalnu strukturu. Kvarc u prvoj verziji ima strukturu nepravilne rešetke, u drugoj - pravilnog šesterokuta.
Nekretnina br. 1
Kao što je već spomenuto, amorfna tijela nemaju kristalnu rešetku. Njihovi atomi i molekuli imaju kratki raspored, koji će biti prvi karakteristična karakteristika ovih supstanci.
Nekretnina br. 2
Ova tijela su lišena fluidnosti. Kako bismo bolje objasnili drugu osobinu tvari, možemo to učiniti na primjeru voska. Nije tajna da ako sipate vodu u lijevak, ona će jednostavno izliti iz njega. Isto će se dogoditi i sa svim drugim tekućim supstancama. Ali svojstva amorfnih tijela ne dopuštaju im da izvode takve "trikove". Ako se vosak stavi u lijevak, prvo će se raširiti po površini i tek onda početi da se cijedi s nje. To je zbog činjenice da molekuli u tvari skaču iz jedne ravnotežne pozicije u potpuno drugu, a da nemaju primarnu lokaciju.
Nekretnina br. 3
Vrijeme je da razgovaramo o procesu topljenja. Treba imati na umu da amorfne tvari nemaju određenu temperaturu na kojoj počinje topljenje. Kako temperatura raste, tijelo postepeno postaje mekše, a zatim se pretvara u tekućinu. Fizičari se uvijek fokusiraju ne na temperaturu na kojoj ovaj proces počelo se javljati, ali na odgovarajućem rasponu temperature topljenja.
Nekretnina br. 4
To je već pomenuto gore. Amorfna tijela su izotropna. Odnosno, njihova svojstva u bilo kojem smjeru su nepromijenjena, čak i ako su uvjeti boravka na mjestima drugačiji.
Nekretnina br. 5
Barem jednom je svaka osoba primijetila da je staklo u određenom vremenskom periodu počelo da se zamućuje. Ovo svojstvo amorfnih tijela povezano je s povećanom unutrašnjom energijom (nekoliko je puta veća od one kristala). Zbog toga ove tvari mogu lako prijeći u kristalno stanje.
Prijelaz u kristalno stanje
Nakon određenog vremenskog perioda, svako amorfno tijelo prelazi u kristalno stanje. Ovo se može uočiti u svakodnevnom životu osobe. Na primjer, ako ostavite slatkiše ili med nekoliko mjeseci, možete primijetiti da su oboje izgubili svoju transparentnost. Prosječna osoba će reći da su jednostavno presvučene šećerom. Zaista, ako razbijete tijelo, primijetit ćete prisustvo kristala šećera.
Dakle, govoreći o tome, potrebno je pojasniti da je spontana transformacija u drugo stanje posljedica činjenice da su amorfne tvari nestabilne. Upoređujući ih s kristalima, možete shvatiti da su potonji mnogo puta "moćniji". Ova činjenica se može objasniti korištenjem intermolekularne teorije. Prema njemu, molekuli neprestano skaču s jednog mjesta na drugo, popunjavajući tako praznine. Vremenom se formira stabilna kristalna rešetka.
Topljenje amorfnih tijela
Proces topljenja amorfnih tijela je trenutak kada se s porastom temperature razaraju sve veze između atoma. Tada se supstanca pretvara u tečnost. Ako su uslovi topljenja takvi da je pritisak isti tokom čitavog perioda, tada se i temperatura mora fiksirati.
Tečni kristali
U prirodi postoje tijela koja imaju tekuću kristalnu strukturu. U pravilu su uključeni u listu organskih tvari, a njihove molekule imaju oblik niti. Tela o kojima mi pričamo o tome, imaju svojstva tečnosti i kristala, odnosno fluidnosti i anizotropije.
U takvim supstancama molekule se nalaze paralelno jedna s drugom, međutim između njih nema fiksne udaljenosti. Stalno se kreću, ali ne žele da menjaju orijentaciju, pa su stalno u jednom položaju.
Amorfni metali
Amorfni metali su prosječnom čovjeku poznatiji kao metalna stakla.
Još 1940. godine naučnici su počeli da govore o postojanju ovih tela. Već tada je postalo poznato da metali posebno proizvedeni vakuumskim taloženjem nemaju kristalne rešetke. I samo 20 godina kasnije proizvedeno je prvo staklo ove vrste. Posebna pažnja to nije izazvalo naučnike; a tek posle 10 godina o njemu su počeli da pričaju američki i japanski profesionalci, a potom i korejski i evropski.
Amorfni metali se odlikuju viskoznošću, prilično visoki nivočvrstoća i otpornost na koroziju.
Većina supstanci u umjerenoj klimi na Zemlji je u čvrstom stanju. Čvrste tvari zadržavaju ne samo svoj oblik, već i volumen.
Na osnovu prirode relativnog rasporeda čestica, čvrste materije se dele na tri tipa: kristalne, amorfne i kompozitne.
Amorfna tela. Primjeri amorfnih tijela uključuju staklo, razne očvrsnute smole (ćilibar), plastiku, itd. Ako se amorfno tijelo zagrije, ono postepeno omekšava, a prijelaz u tečno stanje zauzima značajan temperaturni raspon.
Sličnost sa tečnostima objašnjava se činjenicom da atomi i molekuli amorfnih tela, kao i molekuli tečnosti, imaju „uređen život“. Ne postoji specifična tačka topljenja, tako da se amorfna tela mogu smatrati prehlađenim tečnostima sa veoma visokim viskozitetom. Odsustvo reda dugog dometa u rasporedu atoma amorfnih tijela dovodi do činjenice da tvar u amorfnom stanju ima manju gustoću nego u kristalnom stanju.
Poremećaj u rasporedu atoma amorfnih tijela dovodi do toga da je prosječna udaljenost između atoma različitim pravcima isti, pa su izotropni, tj. sva fizička svojstva (mehanička, optička itd.) ne zavise od pravca spoljašnjeg uticaja. Znaci amorfnog tijela su nepravilnog oblika polomljene površine. Amorfna tijela nakon dužeg vremenskog perioda i dalje mijenjaju svoj oblik pod utjecajem gravitacije. Zbog toga izgledaju kao tečnosti. Kako temperatura raste, ova promjena oblika se događa brže. Amorfno stanje je nestabilno, dolazi do prijelaza iz amorfnog u kristalno stanje. (Staklo postaje mutno.)
Kristalna tijela. Ako postoji periodičnost u rasporedu atoma (redak dugog dometa), čvrsta supstanca je kristalna.
Ako zrnca soli pregledate povećalom ili mikroskopom, primijetit ćete da su ograničena ravnim rubovima. Prisustvo takvih lica je znak da se nalazi u kristalnom stanju.
Tijelo koje je jedan kristal naziva se monokristal. Većina kristalnih tijela sastoji se od mnogo nasumično lociranih malih kristala koji su srasli. Takva tijela se nazivaju polikristali. Komad šećera je polikristalno tijelo. Kristali različitih supstanci imaju različite oblike. Veličine kristala su također različite. Veličine polikristalnih kristala mogu se mijenjati tokom vremena. Mali kristali gvožđa pretvaraju se u velike, ovaj proces se ubrzava udarima i udarcima, dešava se u čeličnim mostovima, željezničke šine itd., zbog toga se čvrstoća konstrukcije vremenom smanjuje.
Toliko tijela je isto hemijski sastav u kristalnom stanju, u zavisnosti od uslova, mogu postojati u dve ili više varijanti. Ovo svojstvo se naziva polimorfizam. Ice ima do deset poznatih modifikacija. Polimorfizam ugljika - grafit i dijamant.
Bitno svojstvo jednog kristala je anizotropija – različitost njegovih svojstava (električnih, mehaničkih, itd.) u različitim smjerovima.
Polikristalna tijela su izotropna, odnosno pokazuju ista svojstva u svim smjerovima. To se objašnjava činjenicom da su kristali koji čine polikristalno tijelo nasumično orijentirani jedan prema drugom. Kao rezultat toga, nijedan od pravaca se ne razlikuje od ostalih.
Stvoreni su kompozitni materijali mehanička svojstva koji su bolji od prirodnih materijala. kompozitni materijali (kompoziti) sastoje se od matrice i punila. Polimer, metal, ugljik ili keramičkih materijala. Punila se mogu sastojati od brkova, vlakana ili žica. Konkretno, kompozitni materijali uključuju armirani beton i ferografit.
Armirani beton je jedna od glavnih vrsta građevinski materijal. To je kombinacija betonske i čelične armature.
Gvozdeni grafit je metal-keramički materijal koji se sastoji od gvožđa (95-98%) i grafita (2-5%). Od njega se izrađuju ležajevi i čahure za razne komponente i mehanizme mašina.
Stakloplastika je također kompozitni materijal, koji je mješavina staklenih vlakana i stvrdnute smole.
Ljudske i životinjske kosti su kompozitni materijal koji se sastoji od dvije potpuno različite komponente: kolagena i mineralne tvari.
MINISTARSTVO OBRAZOVANJA
FIZIKA 8. RAZRED
Izvještaj na temu:
“Amorfna tijela. Topljenje amorfnih tela.”
Učenik 8. razreda:
2009
Amorfna tela.
Hajde da napravimo eksperiment. Trebat će nam komad plastelina, stearinska svijeća i električni kamin. Postavimo plastelin i svijeću na jednake udaljenosti od kamina. Nakon nekog vremena dio stearina će se otopiti (postati tekući), a dio će ostati u obliku čvrstog komada. U isto vrijeme, plastelin će samo malo omekšati. Nakon nekog vremena sav stearin će se otopiti, a plastelin će postupno "korodirati" duž površine stola, omekšavajući sve više i više.
Dakle, postoje tijela koja pri topljenju ne omekšaju, već se iz čvrstog stanja odmah pretvaraju u tekućinu. Prilikom topljenja takvih tijela uvijek je moguće odvojiti tekućinu od još neotopljenog (čvrstog) dijela tijela. Ova tijela jesu kristalno. Postoje i čvrste materije koje, kada se zagreju, postepeno omekšaju i postaju sve tečnije. Za takva tijela je nemoguće naznačiti temperaturu na kojoj se pretvaraju u tekućinu (topi se). Ova tijela se zovu amorfna.
Hajde da uradimo sledeći eksperiment. Komad smole ili voska bacite u stakleni lijevak i ostavite u toploj prostoriji. Nakon otprilike mjesec dana, ispostavit će se da je vosak poprimio oblik lijevka i da je čak počeo da teče iz njega u obliku "potoka" (slika 1). Za razliku od kristala, koji gotovo zauvijek zadržavaju svoj oblik, amorfna tijela pokazuju fluidnost čak i na niskim temperaturama. Stoga se mogu smatrati vrlo gustim i viskoznim tekućinama.
Struktura amorfnih tijela. Istraživanja pomoću elektronskog mikroskopa, kao i pomoću rendgenskih zraka, pokazuju da u amorfnim tijelima ne postoji strogi red u rasporedu njihovih čestica. Pogledajte, slika 2 prikazuje raspored čestica u kristalnom kvarcu, a ona desno prikazuje raspored čestica u amorfnom kvarcu. Ove supstance se sastoje od istih čestica - molekula silicijum oksida SiO 2.
Kristalno stanje kvarca se postiže ako se rastopljeni kvarc polako hladi. Ako je hlađenje taline brzo, tada molekuli neće imati vremena da se "poređaju" u uredne redove, a rezultat će biti amorfni kvarc.
Čestice amorfnih tijela osciliraju kontinuirano i nasumično. Mogu skakati s mjesta na mjesto češće od kristalnih čestica. To je također olakšano činjenicom da su čestice amorfnih tijela smještene nejednako gusto: između njih postoje praznine.
Kristalizacija amorfnih tijela. Vremenom (nekoliko mjeseci, godina) amorfne tvari spontano prelaze u kristalno stanje. Na primjer, šećerne bombone ili svježi med ostavljeni na toplom mjestu postat će neprozirni nakon nekoliko mjeseci. Kažu da su med i slatkiši „ušećereni“. Razbijanjem slatkiša ili žličicom grabimo med, zapravo ćemo vidjeti kristale šećera koji su se formirali.
Spontana kristalizacija amorfnih tijela ukazuje da je kristalno stanje tvari stabilnije od amorfnog. Intermolekularna teorija to objašnjava na ovaj način. Intermolekularne sile privlačenja i odbijanja uzrokuju da čestice amorfnog tijela skaču prvenstveno tamo gdje postoje praznine. Kao rezultat, pojavljuje se uređeniji raspored čestica nego prije, odnosno formira se polikristal.
Topljenje amorfnih tijela.
Kako temperatura raste, energija vibracijskog kretanja atoma u čvrstoj tvari se povećava i, konačno, dolazi trenutak kada veze između atoma počnu pucati. U tom slučaju, čvrsta tvar prelazi u tečno stanje. Ova tranzicija se zove topljenje. Pri fiksnom pritisku, topljenje se odvija na strogo određenoj temperaturi.
Količina topline potrebna za pretvaranje jedinice mase tvari u tekućinu na njenoj tački naziva se specifična toplina fuzije λ .
Da se otopi supstanca mase m potrebno je potrošiti količinu topline jednaku:
Q = λ m .
Proces topljenja amorfnih tijela razlikuje se od topljenja kristalnih tijela. Kako temperatura raste, amorfna tijela postepeno omekšaju i postaju viskozna dok ne pređu u tekućinu. Amorfna tijela, za razliku od kristala, nemaju određenu tačku topljenja. Temperatura amorfnih tijela se kontinuirano mijenja. To se dešava zato što se u amorfnim čvrstim materijama, kao iu tečnostima, molekule mogu kretati jedna u odnosu na drugu. Kada se zagriju, njihova brzina se povećava, a udaljenost između njih se povećava. Kao rezultat, tijelo postaje sve mekše i mekše dok se ne pretvori u tekućinu. Kada se amorfna tijela stvrdnu, njihova temperatura također kontinuirano opada.