Учебное пособие Уфа 2004 Физика металлов. Учебное пособие. Уфа: угату, 2004



страница2/17
Дата27.04.2013
Размер0.95 Mb.
ТипУчебное пособие
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   17

I. строение веществ.

1. Межатомное взаимодействие.



Любой материал представляет собой продукт вза­имодействия огромного количества атомов одного или несколь­ких химических элементов. Его свойства прежде всего зави­сят от типа и энергии химической связи составляющих атомов. При любом характере взаимодействия частицы тела стремятся расположиться в таком по­рядке и на таких расстояниях, которые обусловливают относи­тельный минимум энергии всей системы, иными словами, ее наиболее устойчивое в данных условиях состояние.

Взаимодействие множества атомов в основном определяются взаимодействием соседних атомов, поэтому вначале для простоты рассмотрим взаимодействие двух атомов

При очень больших взаимных расстояниях атомы практически не взаимодействуют друг с другом, так что энер­гию их можно считать постоянной и равной нулю. При уменьшении расстояния между атомами проявляются силы притяже­ния и потенциальная энергия понижается. При некотором равновесном расстоянии R энергия W принимает мини­мальное значение, а результирующая сила взаимодействия F = dW/dR становится равной нулю. Это равновесное расстояние между частицами обозначим R0. При дальнейшем сближе­нии частиц возникнут силы отталкивания, так как внеш­ние слои атомов, заряженные отрицательно, придут в тесное соприкосновение.

Общая зависимость изменения энергии W и сил взаимодей­ствия F пары частиц в молекулах отражается графиком, приведенным на рисунке 1.
Рис. 1 Потенциальная энергия W и сила F взаимодействия двух атомов.
В условиях равновесия частицы располагаются в миниму­мах потенциальной кривой — в «потенциальных ямах».

Величина Wo характеризует энергию связи частиц, т. е. ту энергию, которую нужно затратить, чтобы разобщить частицы тела. Максимум величины F представляет собой теоретическое усилие, которое может выдержать тело при упругом растяжении.

В том случае, когда взаимодействует множество атомов, смещение любого из них приводит к росту энергии системы, Поэтому потенциальную кривую можно представить в виде периодической функции (рис. 2). При минимуме энергии системы расстояния между атомами одинаковы и равны R0. Вдоль любого направления расстояния будут равны R0, хотя эти расстояния по разным направлениям будут разными. Расстояние между атомами вдоль какого-либо направления называют периодом кристаллической решетки и обозначают буквами: а, b, c и т.д..




Рис. 2. Зависимость энергии потенциального взаимодействия (Wp) от расстояния между атомами (x) для случая взаимодействия множества атомов.




Для перехода атома из одного равновесного положения в другое необходимо преодолеть потенциальный барьер ΔW . Величина ΔW — энергия перехода ча­стиц из одного относительно устойчивого состояния в дру­гое. В том случае, когда энергия системы мала, атомы не могут перемещаться из одного положения в другое, и мы имеем дело с твердым телом. При повышении энергии системы атомы активно колеблются, обмениваются энергией - и в результате некоторые частицы могут перескакивать из одного положения в другое. В этом случае мы имеем дело с жидким телом. Температура превращения в жидкость или температура плавления – важнейшая характеристика материала. Дальнейший рост тепловой энергии системы приводит к выходу атомов из потенциальной ямы, они начинают двигаться беспорядочно, могут занимать различные положения – и мы имеем дело с газом. Переход в газообразное состояние определяет температуру испарения вещества.

Знание кривых взаимодей­ствия позволяет судить о ряде общих свойств тел и особенностях их поведения. Чем ниже расположена точка Wo, тем выше энергия связи частиц те­ла, выше его температура плавления и испарения. Чем больше глубина потенциальной ямы, тем круче ее стенки , тем большая сила возникает при смещении атома из положения равновесия, эначит тем больше модуль упруго­сти материала.

Другой интересной особенностью влияния формы кривой взаимодействия на свойства материалов является термическое расширение. Увеличение энергии системы двух атомов за счет роста температуры ведет к взаимному смещению атомов относительно друг друга в пределах, определяемых стенками потенциальной ямы. С ростом энергии системы амплитуда колебаний возрастает (см. на рис. 1, отрезки, соответствующие Т3>T2>T1). Как видно из рисунка, кривая потенциальная кривая асимметрична, поэтому при росте температуры середина отрезков постепенно смещается вправо. Это означает, что среднее расстояние между атомами увеличивается, а значит и линейные размеры тела увеличиваются. Изменение линейных размеров тела при нагреве описывается коэффициентом теплового расширения: aТ = (1/L)(L/T). Чем более асимметрична кривая взаимодействия, тем больше коэффициент теплового расширения aТ .

При увеличении глубины потенциальной ямы Wo форма стенок становится более симметричной, а значит коэффициент теплового расширения aТ уменьшается.

Таким образом, свойства материалов оказываются взаимосвязаны. Поэтому зная одни свойства вещества можно предсказать другие. Например, как было рассмотрено, увеличение глубины потенциальной ямы ведет к росту температуры плавления и температуры испарения вещества. Вместе с тем, увеличение глубины потенциальной ямы ведет к уменьшению коэффициента теплового расширения aТ. Значит, вещества с большей температурой плавления, как правило, имеют меньший коэффициент термического расширения.

Эту взаимосвязь иллюстрирует таблица 2., где приведены теплота

Таблица 2.

Металл

K

Zn

Cu

Fe

W

Mg

Q , ккал/моль

21,5

31,2

81

99,5

200

36

Тплав, К

336

792

1357

1809

3650

650

Е , ГПа

0,001

80

125

216

415

45

, 10-6 1/К







16

12

4,4

26

 , г/см3







8,9

7,8

19,3

1,7


испарения Q, температура плавления Тплав, модуль упругости Е , .коэффициент теплового расширения  , плотность некоторых металлов.

При воздействии на тело силовых полей (электрического, механического, магнитного) частицы тела смещаются из равновесных положений. При этом могут реализовываться три случая.

1. Под действие поля частицы не переходят через потенциальные барьеры. При исчезновении поля частицы возвращаются в исходные положения. В этом случае мы имеем дело с упругими процессами: упругой деформацией, упругой поляризацией и так далее. Чем "круче" стенки потенциальной ямы, тем труднее осуществляется упругий процесс.

2. Под действием поля некоторые слабо связанные частицы перебрасываются из одного положения в другое. После снятия внешнего воздействия под влиянием теплового движения или внутренних напряжений устанавливается состояние, статистически эквивалентное исходному. Этот случай реализуется при близости величины некоторых потенциальных барьеров со средней энергией частиц. Такие процессы называются гистерезисными (типичный пример - "неупругость" пружин, гистерезис намагничивания) и характеризуются замкнутыми кривыми, называемыми циклами гистерезиса.

3. Если внешнее поле перемещает частицы через потенциальные барьеры, достаточно высокие по сравнению с тепловой энергией материала, то при снятии внешнего воздействия частицы в исходные положения не возвращаются, появляется остаточный эффект (пластическая деформация металлов, получение постоянных магнитов, электретов и т.д.).

Хотя точный вид кривой взаимодействия зависит от конкретных свойств взаимодействующих частиц и от направления, в котором она исследуется, однако в общих чертах ее вид определяется типом и энергией химической связи.


1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   17

Похожие:

Учебное пособие Уфа 2004 Физика металлов. Учебное пособие. Уфа: угату, 2004 iconУчебное пособие Уфа 2006 удк 330. 43
Еникеев Т. И. Эконометрика. / Учебное пособие. Уфа: ООО полиграфстудия «Оптима». 2006. 116 с., табл. 7, рис. 5, библ. –24 наз
Учебное пособие Уфа 2004 Физика металлов. Учебное пособие. Уфа: угату, 2004 iconУчебное пособие Уфа 2006 удк 519. 8 Б 19 ббк 22. 1: 22. 18 (Я7)
Бакусова С. М. Математика. Часть Математическое программирование / Учебное пособие. Уфа: ООО полиграфстудия «Оптима», 2006. – 71...
Учебное пособие Уфа 2004 Физика металлов. Учебное пособие. Уфа: угату, 2004 iconКультурология
Культурология: учебное пособие / под ред. О. Б. Феклиной; Уфимск. К90 гос авиац техн ун-т. – Уфа: угату, 2006. – 123 с
Учебное пособие Уфа 2004 Физика металлов. Учебное пособие. Уфа: угату, 2004 iconУчебное пособие Москва 2004 г. Составители: д т. н., проф. Е. П. Доморацкий
Моделирование функциональных узлов ЭВМ с помощью программы Electronics Workbench (Учебное пособие) / Сост. Е. П. Доморацкий, К. О....
Учебное пособие Уфа 2004 Физика металлов. Учебное пособие. Уфа: угату, 2004 iconУчебное пособие Кемерово 2004 удк
Учебное пособие предназначено для студентов специальности 271400 «Технология продуктов детского и функционального питания» всех форм...
Учебное пособие Уфа 2004 Физика металлов. Учебное пособие. Уфа: угату, 2004 iconУчебное пособие москва 2002 удк 536 ш 25 Рецензент д ф. м н. профессор В. М. Кузнецов (рхту им. Д. И. Менделеева) Шарц А. А. Основы термодинамики: учебное пособие. М.: Мгту «станкин»
Учебное пособие предназначено для студентов второго курса и содержит краткое изложение основного материала подраздела «Термодинамика»...
Учебное пособие Уфа 2004 Физика металлов. Учебное пособие. Уфа: угату, 2004 iconУчебное пособие /А. А. Горелов. М.: Мпси: Флинта, 2004. 608 с
Социальная экология: Учебное пособие /А. А. Горелов. М.: Мпси: Флинта, 2004. 608 с
Учебное пособие Уфа 2004 Физика металлов. Учебное пособие. Уфа: угату, 2004 iconЛекции по русскому фольклору: Учебное пособие. М.: Дрофа, 2004. 336 с
Костюхин Е. А. Лекции по русскому фольклору: Учебное пособие. – М.: Дрофа, 2004. – 336 с
Учебное пособие Уфа 2004 Физика металлов. Учебное пособие. Уфа: угату, 2004 iconКнига рассчитана на студентов, аспирантов и всех тех, кто интересуется историей
В15 История России. XX век. Часть 2: Учебное пособие. Уфа: рио башГУ, 2002. 234 с
Учебное пособие Уфа 2004 Физика металлов. Учебное пособие. Уфа: угату, 2004 iconУчебное пособие для учащихся 5 класса
Учебное пособие предназначено для учащихся 5 классов основной школы. Оно охватывает историю Сибири с эпохи камня до наших дней. Учебное...
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org