【熱學(xué)競(jìng)賽教程】第三講 固體和液體

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1、第三講固體和液體第三講固體和液體§3．1固體的有關(guān)性質(zhì)固體可以分為晶體和非晶體兩大類。巖鹽、水晶、明礬、云母、冰、金屬等都是晶體；玻璃、瀝清、橡膠、塑料等都是非晶體。(1)晶體和非晶體晶體又要分為單晶體和多晶體兩種。單晶體具有天然規(guī)則的幾何外形，如雪花的形狀總是六角形的。并且，單晶體在各個(gè)不同的方向上具有不同的物理性質(zhì)，即各向?qū)?。如力學(xué)性質(zhì)(硬度、彈性模量等)、熱性性質(zhì)(熱脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等)、電學(xué)性質(zhì)(介電常數(shù)、電阻率等)、光學(xué)性質(zhì)(吸收系數(shù)、折射率等)。如云母結(jié)晶薄片，在外力作用下很容易沿平行于薄片的平面裂開(kāi)，但在薄片上裂開(kāi)則要困難得多；在云母片上涂一層薄薄的石

2、蠟，然后用燒熱的鋼針去接觸云母片的反面，則石蠟將以接觸點(diǎn)為中心、逐漸向四周熔化，熔化了的石蠟成橢圓形，如果用玻璃片做同樣的實(shí)驗(yàn)，熔化了的石蠟成圓形，這說(shuō)明非晶體玻璃在各方向的導(dǎo)熱系數(shù)相同，而晶體云母沿各方向的導(dǎo)熱系數(shù)不同。因多晶體是由大量粒(小晶體)無(wú)規(guī)則地排列組合而成，所以，多晶體不但沒(méi)有規(guī)則的外形，而且各方向的物理性質(zhì)也各向同性。常見(jiàn)的各種金屬材料就是多晶體。但不論是單晶體還是多晶體，都具有確定的熔點(diǎn)，例如不同的金屬存在著不同的熔點(diǎn)。第三講固體和液體非晶體沒(méi)有天然規(guī)則的幾何外形，各個(gè)方向的物理性質(zhì)也相同，即各向同性。非晶體在加熱時(shí)，先逐漸變軟，接著由稠變稀，最后成

3、為液體，因此，非晶體沒(méi)有一定的熔點(diǎn)。晶體在加熱時(shí)，溫度升高到熔點(diǎn)，晶體開(kāi)始逐漸熔解直到全部融化，溫度保持不變，其后溫度才繼續(xù)上升。因此，晶體有一定的熔點(diǎn)。(2)空間點(diǎn)陣圖3-1-1ABCD圖3-1-2晶體與非晶體性質(zhì)的諸多不同，是由于晶體內(nèi)部的物質(zhì)微粒(分子、原子或離子)依照一定的規(guī)律在空間中排列成整齊的后列，構(gòu)成所謂的空間點(diǎn)陣的結(jié)果。圖3-1-1是食鹽的空間點(diǎn)陣示意圖，在相互垂直的三個(gè)空間方向上，每一行都相間的排列著正離子(鈉離子)和負(fù)離子(氯離子)。晶體外觀的天然規(guī)則形狀和各向異性特點(diǎn)都可以用物質(zhì)微粒的規(guī)則來(lái)排列來(lái)解釋。在圖3-1-2中表示在一個(gè)平面上晶體物質(zhì)微粒

4、的排列情況。從圖上可以看出，沿不同方向所畫(huà)的等長(zhǎng)直線AB、AC、AD上，物質(zhì)微粒的數(shù)目不同，直線AB上物質(zhì)微粒較多，直線AD上較少，直線AC上更少。正因?yàn)樵诓煌较蛏衔镔|(zhì)微粒排列情況不同，才引起晶體在不同方向上物理性質(zhì)的不同。組成晶體的粒子之所以能在空間構(gòu)成穩(wěn)定、周期性的空間點(diǎn)陣，是由于晶體微粒之間存在著很強(qiáng)的相互作用力，晶體中粒子的熱運(yùn)動(dòng)不能破壞粒子之間的結(jié)合，粒子僅能在其平衡位置(結(jié)點(diǎn)處)附近圖3-1-3做微小的熱振動(dòng)。晶體熔解過(guò)程中達(dá)熔點(diǎn)時(shí)，它吸收的熱量都用來(lái)克服有規(guī)則排列的空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，所以，這段時(shí)間內(nèi)溫度就不會(huì)升高。例題:NaCl的單位晶胞是棱長(zhǎng)a=5.61

5、0m的立方體，如圖7-1-3第三講固體和液體。黑點(diǎn)表示Na位置，圓圈表示Cl位置，食鹽的整體就是由這些單位晶胞重復(fù)而得到的。Na原子量23，Cl原子量35.5，食鹽密度g/m。我們來(lái)確定氫原子的質(zhì)量。在一個(gè)單位晶胞里，中心有一個(gè)Na，還有12個(gè)Na位于大立方體的棱上，棱上的每一個(gè)Na同時(shí)為另外三個(gè)晶胞共有，于是屬于一個(gè)晶胞的Na數(shù)n=1+=4，Cl數(shù)n=4。晶胞的質(zhì)量m=4(m+m)原子質(zhì)量單位。a=4(23+35.5)m，得m=1.6710kg?！?．2固體的熱膨脹幾乎所有的固體受熱溫度升高時(shí)，都要膨脹。在鋪設(shè)鐵路軌時(shí)，兩節(jié)鋼軌之間要留有少許空隙，給鋼軌留出體脹的余

6、地。一個(gè)物體受熱膨脹時(shí)，它會(huì)沿三個(gè)方向各自獨(dú)立地膨脹，我們先討論線膨脹。固體的溫度升高時(shí)，它的各個(gè)線度(如長(zhǎng)、寬、高、半徑、周長(zhǎng)等)都要增大，這種現(xiàn)象叫固體的線膨脹。我們把溫度升高1℃所引起的線度增長(zhǎng)跟它在0℃時(shí)線度之比，稱為該物體的線脹系數(shù)。設(shè)一物體在某個(gè)方向的線度的長(zhǎng)度為，由于溫度的變化△T所引起的長(zhǎng)度的變化△。由實(shí)驗(yàn)得知，如果△T足夠小，則長(zhǎng)度的變化△與溫度的變化成正比，并且也與原來(lái)的長(zhǎng)度成正比。即△=△T．式中的比例常數(shù)稱作線膨脹系數(shù)。對(duì)于不同的物質(zhì)，具有不同的數(shù)值。將上式改寫(xiě)為.。所以，線膨脹系數(shù)α的意義是溫度每改變1K時(shí)，其線度的相對(duì)變化。即：第三講固體和

7、液體式中的單位是1/℃，為0℃時(shí)固體的長(zhǎng)度，為℃時(shí)固體的長(zhǎng)度，一般金屬的線脹系數(shù)大約在/℃的數(shù)量級(jí)。上述線脹系數(shù)公式，也可以寫(xiě)成下面形式如果不知道0℃時(shí)的固體長(zhǎng)度，但已知℃時(shí)固體的長(zhǎng)度，則℃時(shí)的固體長(zhǎng)度為于是，這是線膨脹有用的近似計(jì)算公式。對(duì)于各向同性的固體，當(dāng)溫度升高時(shí)，其體積的膨脹可由其線膨脹很容易推導(dǎo)出。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們研究一個(gè)邊長(zhǎng)為l的正方體，在每一個(gè)線度上均有：。因固體的α值很小，則相比非常小，可忽略不計(jì)，則式中的3α稱為固體的體膨脹系數(shù)。隨著每一個(gè)線度的膨脹，固體的表面積和體積也發(fā)生膨脹，其面膨脹和體膨脹規(guī)律分別是考慮各向同性的固體，其面