Kietoji būsena (kietasis kūnas): apibrėžimas ir savybės

Sužinokite, kas yra kietoji būsena (kietasis kūnas): apibrėžimas, molekulių sandara, formos ir tūrio savybės, lydymas, užšalimas ir sublimacija.

Kietasis kūnas yra viena iš trijų įprastų medžiagos būsenų. Kietųjų kūnų molekulės yra glaudžiai susijusios tarpusavyje, jos gali tik vibruoti. Tai reiškia, kad kietieji kūnai turi tam tikrą formą, kuri keičiasi tik veikiant jėgai. Tai skiriasi nuo skysčių ir dujų, kurie juda atsitiktinai, o šis procesas vadinamas tekėjimu.

Kai kieta medžiaga virsta skysčiu, tai vadinama lydymu. Skysčiai tampa kietais užšaldant. Kai kurie kietieji kūnai, pavyzdžiui, sausas ledas, gali virsti dujomis, prieš tai netapę skysčiu. Tai vadinama sublimacija.

Struktūra ir tipai

Kietieji kūnai gali būti labai įvairūs pagal vidinę struktūrą. Pagrindinės rūšys:

• Kristaliniai kietieji kūnai — atomai arba molekulės išsidėsto reguliariais, pasikartojančiais tinklais (pavyzdžiui, metalai, daugelis mineralų). Tokie kūnai turi ilgalaikę tvarkingą struktūrą ir aiškiai apibrėžtus lūžio plokštumus.
• Amorfiniai (beformiai) kietieji kūnai — atomų išsidėstymas netvarkingas, be ilgojo susidėstymo, pavyzdys — stiklas, kai kurios polimerinės medžiagos.

Pagrindinės fizikinės savybės

Keli svarbiausi kietųjų kūnų bruožai:

• Forma ir tūris: kietieji kūnai turi nustatytą formą ir tūrį, kurie savaime nekinta arba keičiasi tik veikiant išoriniams poveikiams.
• Sukibimas: dalelių tarpusavio sąveikos yra stiprios, todėl atomai daugiausia juda tik apie pusiausvyros padėtį (virpa).
• Tankis: paprastai didesnis nei dujų ir dažnai didesnis už skysčių; matuojamas kg/m³.
• Standumas ir elastingumas: kietieji kūnai gali būti standūs (dėl didelio Young’o modulio) arba elastingi — atstatyti formą po deformacijos.
• Plastiškumas ir trapumas: kai kurios medžiagos (pvz., metalai) deformuojasi plastikai (įgauna nuolatinę formos pakeitimą) prieš lūžtant, kitos (pvz., keramika) yra trapios ir lūžta be reikšmingos plastiškos deformacijos.
• Tvirtumas ir kietumas: kietumas rodo atsparumą įbrėžimams, o tvirtumas — atsparumą lūžiui ar deformacijai (skirtingi matavimo metodai: Mohso skalė, Brinell, Rockwell ir kt.).
• Elektrinės ir šiluminės savybės: metalai paprastai gerai veda elektrą ir šilumą, o neorganiniai izoliatoriai ir kai kurie polimerai veda labai prastai.
• Terminis plėtimasis: temperatūrai kylant, dauguma kietųjų kūnų plečiasi; kai kurios medžiagos turi mažą arba net neigiamą termoekspansiją.

Molekulinis lygmuo ir fazės perėjimai

Atomai kietuosiuose kūnuose vibruoja aplink pusiausvyros taškus. Keičiantis temperatūrai vibracijos amplitudė didėja — esant pakankamai aukštai temperatūrai tarp atomų susidariusi tvarka prarandama ir medžiaga lydosi. Aprašyti procesai:

• Lydymasis – pereinamoji būsena iš kietos į skystą. Atvirkštinis procesas yra užšalimas.
• Sublimacija – tiesioginis perėjimas iš kietos į dujinę fazę (pavyzdys: sausas ledas).
• Depozicija (kondensacija iš dujų į kietą) – priešingas sublimacijai procesas.
• Stiklinis perėjimas – amorfiškose medžiagose (pvz., polimeruose, stiklui) vietoj klasikinio lydymosi vyksta pereinamasis procesas, kai medžiaga tampa lyg kieta „stiklo“ būsena.

Praktiniai pavyzdžiai ir panaudojimas

Kietieji kūnai yra visur: metalai (geležis, aliuminis) naudojami konstrukcijose, keramika – šiluminėms ir mechaninėms aplikacijoms, polimerai – plastikai ir izoliatoriai, puslaidininkiai – elektronikoje. Kasdien pamatysite kietuosius kūnus kaip baldus, įrankius, pastatų konstrukcijas, elektronikos korpusus, stiklo langus ir kt.

Kaip matuojamos savybės

Fizinės savybės matuojamos specialiais dydžiais: Young’o modulis (elastingumui, Pa), tankis (kg/m³), kietumas (Mohso skalė arba kietumo bandymai), tvirtumas (MPa) ir kt. Šie parametrai padeda inžinieriams pasirinkti medžiagas konkrečioms konstrukcijoms ar prietaisams.

Santrauka: Kietasis kūnas pasižymi struktūrine tvarka arba amorfiškumu, turi pastovią formą ir tūrį, bei specifines mechanines, šilumines ir elektrines savybes. Fazės perėjimai (lydymas, užšalimas, sublimacija) paaiškina, kaip medžiagos keičia būseną esant skirtingoms temperatūroms ir slėgiams.

Kietųjų kūnų rūšys

Kietosios medžiagos atomų tarpusavio jėgos gali būti įvairių formų. Pavyzdžiui, natrio chlorido (valgomosios druskos) kristalas sudarytas iš joninių natrio ir chloro jungčių. Deimanto ar silicio atomai dalijasi elektronais ir sudaro kovalentinius ryšius. Metaluose elektronai dalijasi metaliniais ryšiais. Kai kurie kietieji kūnai, pavyzdžiui, dauguma organinių junginių, yra sujungti van der Valso jėgomis, atsirandančiomis dėl kiekvienos molekulės elektroninių krūvininkų debesėlio poliarizacijos. Kietųjų kūnų tipų skirtumai atsiranda dėl skirtingo jų ryšio.

Metalai

Dauguma metalų yra tvirti, tankūs, gerai praleidžia elektrą ir šilumą. Periodinėje lentelėje į kairę nuo įstrižosios linijos, nubrėžtos nuo boro iki polonio, esančių elementų masė yra metalai. Dviejų ar daugiau elementų mišiniai, kurių didžioji sudedamoji dalis yra metalas, vadinami lydiniais.

Žmonės metalus įvairiems tikslams naudojo nuo priešistorinių laikų. Metalų tvirtumas ir patikimumas lėmė, kad jie plačiai naudojami pastatų ir kitų daiktų gamyboje, taip pat daugumoje transporto priemonių, daugelyje įrankių, vamzdžių, kelio ženklų ir geležinkelio bėgių. Geležis ir aliuminis yra du dažniausiai naudojami metalai. Jie taip pat yra labiausiai paplitę Žemės plutoje esantys metalai. Geležis dažniausiai naudojama kaip lydinys - plienas, kuriame yra iki 2,1 % anglies, todėl jis yra daug kietesnis už gryną geležį.

Kadangi metalai gerai praleidžia elektrą, jie vertingi elektros įrankiuose ir elektros srovei perduoti dideliais atstumais su mažais energijos nuostoliais. Dėl šios priežasties elektros tinklai, norėdami gauti elektros energiją, remiasi metaliniais kabeliais. Pavyzdžiui, namų elektros sistemos dėl gerų laidininkų savybių yra laidinamos variu. Dėl didelio daugumos metalų šiluminio laidumo jie taip pat naudingi viryklių kaitlentėms.

Mineralai

Mineralai - tai gamtinės kietosios medžiagos, susidariusios vykstant daugeliui geologinių procesų ir veikiant dideliam slėgiui. Kad medžiaga būtų laikoma tikru mineralu, ji turi turėti kristalinę struktūrą, kurios fizikinės savybės yra vienodos. Mineralai skiriasi savo sudėtimi - nuo grynų elementų ir paprastų druskų iki labai sudėtingų silikatų su tūkstančiais žinomų formų. Priešingai, uolienos mėginys yra atsitiktinis mineralų ir (arba) mineraloidų junginys, neturintis konkrečios cheminės sudėties. Dauguma Žemės plutos uolienų turi kvarco (kristalinio SiO₂ ), feldšpato, žėručio, chlorito, kaolino, kalcito, epidoto, olivino, augito, raguočio, magnetito, hematito, limonito ir kelių kitų mineralų. Kai kurie mineralai, pavyzdžiui, kvarcas, žėrutis ar feldšpatas, yra plačiai paplitę, o kitų rasta tik keliose pasaulio vietose. Iki šiol didžiausią mineralų grupę sudaro silikatai (daugumą uolienų sudaro ≥95 % silikatų), kurie daugiausia sudaryti iš silicio ir deguonies, taip pat su aliuminio, magnio, geležies, kalcio ir kitų metalų jonais.

Niujorko "Chrysler Building", aukščiausio pasaulyje mūrinio pastato su plienine atrama, viršūnė.


Įvairių mineralų rinkinys.

Paieška pagal raidę