Квазикристаллические свойства жидкостей
Понятие и свойства жидкостей. Понятие и структура жидкости. Свойства жидкостей. Квазикристаллические свойства жидкостей. Особенности физических свойств квазикристаллов. Квазикристаллические свойства жидкостей и их состав. Жидкость и квазикристалл.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 26.12.2008 |
| Размер файла | 744,7 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
8
36
Содержание
- Введение 3
- Глава 1. Понятие и свойства жидкостей 5
- 1.1. Понятие и структура жидкости 5
- 1.2. Свойства жидкостей 12
- Глава 2. Квазикристаллические свойства жидкостей 19
- 2.1. Особенности физических свойств квазикристаллов 19
- 2.2. Квазикристаллические свойства жидкостей и их состав 22
- Заключение 30
- Список литературы 32
- Введение
- Жидкость - это вещество, обладающее свойством текучести, легкой подвижностью, способное изменять свою форму под воздействием внешних сил и температурных изменений, агрегатное состояние вещества, промежуточное между твёрдым и газообразным состояниями. Жидкость, сохраняя отдельные черты как твёрдого тела, так и газа, обладает, однако, рядом только ей присущих особенностей, из которых наиболее характерная -- текучесть. Подобно твёрдому телу, жидкость сохраняет свой объём, имеет свободную поверхность, обладает определённой прочностью на разрыв при всестороннем растяжении и т. д. С другой стороны, взятая в достаточном количестве жидкость принимает форму сосуда, в котором находится. Принципиальная возможность непрерывного перехода жидкости в газ также свидетельствует о близости жидкого и газообразного состояний Павленко Ю.Г. Молекулярная физика. - М., 2002.
- Целью данной работы является систематизация, накопление и закрепление знаний о квазикристаллических свойствах жидкостей.
- Квазикристаллы, как правило, сплавы металлических элементов. Но физические свойства квазикристаллов отличаются от свойств других металлических систем. Электросопротивление металлов увеличивается при возрастании температуры, концентрации примесей, структурных дефектов. Квазикристаллы не изоляторы и не полупроводники, но в отличие от металлов их электросопротивление при низких температурах аномально велико, уменьшается с ростом температуры и возрастает по мере увеличения структурного порядка и отжига дефектов (длительный нагрев, устраняющий дефекты).
- Другая особенность -- конечный, как и у металлов, линейно зависящий от температуры электронный вклад в удельную теплоемкость. По сравнению с металлом он занижен, но указывает на наличие свободных носителей заряда; у диэлектриков подобного вклада в теплоемкость нет.
- Практически все квазикристаллические сплавы -- диамагнетики. Исключение составляют сплавы с марганцем, являющиеся парамагнетиками.
- Теория твердого тела прекрасно объясняет электронные свойства нормальных металлов и их сплавов. Отправным пунктом является периодичность кристаллической структуры. Однако теория еще не в состоянии объяснить, почему квазипериодичность является источником специфичного поведения свойств. Для ответа на этот вопрос необходима большая экспериментальная и теоретическая информация об электронном строении (электронном спектре) квазикристаллов.
- В соответствии с поставленной целью в работе предполагается решить следующие задачи:
- - рассмотреть понятие и структуру жидкости;
- - изучить свойства жидкостей;
- - охарактеризовать особенности физических свойств квазикристаллов;
- - проанализировать квазикристаллические свойства жидкостей.
- Цель и задачи работы обусловили выбор ее структуры. Работа состоит из введения, двух глав, заключения, списка использованной при написании работы литературы.
- Такое построение работы наиболее полно отражает организационную концепцию и логику излагаемого материала.
Глава 1. Понятие и свойства жидкостей
1.1. Понятие и структура жидкости
Жидкость, как всякое физическое тело, состоит из отдельных молекул. Молекулы очень малы по сравнению с объемами, рассматриваемыми при изучении жидкости, поэтому в гидравлике не рассматривается молекулярное строение жидкости, предполагая, что жидкость представляет сплошную, непрерывную среду. Жидкости делятся на два вида: капельные и газообразные Павленко Ю.Г. Молекулярная физика. - М., 2002.
Капельные жидкости -- малосжимаемые (вода, нефть, керосин и др.), являются объектом изучения гидравлики и обладают определенным объемом, величина которого практически не изменяется под воздействием внешних сил. Капельные жидкости не всегда заполняют предоставленный им объем, образуя ограниченную поверхность. Например, как указано на рис. 1.1, грунтовые воды (являющиеся капельными жидкостями), заключенные в первом от поверхности земли водоносном пласте, подстилаемом водоупором, на какой-то период времени образуют свободную поверхность уровня грунтовых вод Hгр.в. В русле реки А на рис. 1.1 капельная жидкость для того же времени образует свободную поверхность уровня речных вод Нр. Капельная жидкость может заполнить часть трубы, образуя свободную поверхность, как это представлено на рис. 1.1. Капельные жидкости обладают капиллярными свойствами. Представим себе, что над свободной поверхностью уровня в порах грунта, вследствие капиллярных свойств капельной жидкости, образуется зона капиллярной каймы. В этом случае может возникнуть необходимость расчета ее высоты и движения воды в данной зоне. Такие вопросы решаются путем гидрогеологических и фильтрационных методов.
Газообразные жидкости занимают все предоставленное им пространство, не имеют свободной поверхности и значительно изменяют свой объем и форму, сжимаясь и расширяясь под воздействием внешних сил. Газообразные жидкости в гидравлике не рассматриваются.
Для возможности применения математических решений при изучении жидкости вводится понятие идеальные и реальные жидкости.
Рис. 1.1 а) грунтовые и речные воды, б) вода в трубе
Идеальные -- невязкие (совершенные) жидкости обладают следующими свойствами: абсолютной подвижностью, т. е. отсутствием сил трения и касательных напряжений; абсолютной неизменностью в объеме под воздействием внешних сил.
Реальные -- вязкие (действительные) жидкости обладают: сжимаемостью, сопротивлением растягивающим и сдвигающим усилиям, вязкостью, т. е. возникновением при движении внутреннего трения между частицами.
Идеальной жидкости в природе не существует, она является как бы моделью реальной жидкости.
На жидкость, находящуюся в состоянии равновесия или движения, действуют силы: массовые и поверхностные.
Массовые, или объемные, силы пропорциональны массе, а при однородной жидкости и объему. К этим силам относятся: собственная масса жидкости, силы инерции и центробежные силы.
Поверхностные силы пропорциональны площади той поверхности, на которую они действуют. К этим силам относятся: а) силы нормальные к поверхности жидкости (сжатия, давления, растяжения) ; б) касательные (силы трения, возникающие только при движении жидкости).
Рассмотрим свойства жидкости.
1. Плотность жидкости с -- количество массы (т), содержащееся в единице объема W
|
кг/м3 |
2. Сила тяжести
|
p=m·g, H |
3.Сжимаемость. Капельные жидкости оказывают большое сопротивление сжимающим усилиям и допускают значительное давление. Рассмотрим на рис. 1.2 первоначальный объем жидкости W, м3. Под влиянием давления объем жидкости уменьшится. Вводится коэффициент объемного сжатия ?W, который характеризует уменьшение объема жидкости под влиянием давления
Знак минус показывает, что приращению давления соответствует уменьшение объема жидкости.
Рис. 1.2. Первоначальный объем жидкости
Коэффициент объемного сжатия воды зависит от давления и изменяется в незначительных пределах. Так, при изменении давления от 9,81·104 до 2,5·108 Па ?W изменяется от 4,9·10-10 до 2,85·10-10 м2/Н. В гидравлических расчетах ?W принимают постоянным и равным 4,9·10-10 м2/Н.
Модуль упругости воды -- величина, обратная коэффициенту объемного сжатия
|
Н/м2=Па |
4. Температурное расширение. Жидкие тела при колебании температуры изменяют свой объем и плотность. Коэффициент температурного расширения ?t выражает относительное увеличение объема при повышении температуры на 1°С
где W - первоначальный объем; dW - изменение объема; dt - изменение температуры на 1°С. Размерность ?t в системе СИ 1°С. Значение ?t приведено в таблице.
Значение ?t для воды
|
Давление Р в Па |
°С |
|||||
|
1-10 |
10-20 |
40-50 |
60-70 |
90-100 |
||
|
105-107 |
0,000014 |
0,000150 |
0,000422 |
0,000556 |
0,000719 |
Следует отметить, что при понижении температуры от +100° до 4°С вода уменьшается в объеме. В интервале от +4°С до 0°С вода не сжимается, а расширяется, имея наибольшую плотность при 4°С. Вода при замерзании увеличивается в объеме приблизительно на 10%.
5. Вязкость жидкости -- это свойство жидкости оказывать сопротивление передвижению ее частиц и характеризующее степень ее текучести и подвижности.
Как видно из определения, вязкость является свойством движущейся жидкости и в состоянии покоя не обнаруживается. Наличие сил внутреннего трения движущейся жидкости впервые установил Ньютон; впоследствии русский ученый В. Н. Петров в 1888 г. привел математическое выражение для силы трения. Представим на рис. 1.3, что движется поток жидкости в открытом потоке вдоль стенки. Стенка тормозит движение, поэтому скорость будет изменяться по мере удаления от стенки. Рассмотрим два слоя жидкости А к В. Слой А движется со скоростью х (м/с), слой В -- со скоростью х+ dх. Расстояние между слоями dy (м), площадь трения F (м2). Градиент скорости - - изменение скорости от одного слоя к другому.
Рис.1.3. Поток жидкости в открытом потоке вдоль стенки.
Введем обозначения: сила внутреннего трения - ТН и м, динамический коэффициент вязкости Н·с/м2 или Па·с. В принятых обозначениях сила трения имеет вид .
Знак минус указывает на то, что трение задерживает движение. Рассмотрим применяемые в гидравлике три единицы вязкости: динамический коэффициент, кинематический коэффициент и относительную вязкость.
Динамический коэффициент вязкости. Из предыдущей формулы определяется динамический коэффициент вязкости .
В системе СИ размерность м выражается в Н·с/м2 или Па·с.
Кинематический коэффициент вязкости v. В гидравлических расчетах применяется вязкость, отнесенная к плотности , где с - плотность. Размерность v в системе СИ - м2/с.
Вязкость жидкости уменьшается при увеличении температуры. При нормальном атмосферном давлении для определения кинематического коэффициента вязкости воды в зависимости от температуры составлена таблице.
Значение v м2/с для воды в зависимости от температуры
|
t°C |
0 |
2 |
4 |
6 |
8 |
|
|
0 |
179 |
167 |
157 |
147 |
138 |
|
|
10 |
131 |
124 |
117 |
112 |
106 |
|
|
20 |
101 |
96 |
92 |
87 |
84 |
|
|
30 |
80 |
75 |
72 |
69 |
67 |
|
|
40 |
66 |
62 |
60 |
58 |
56 |
|
|
50 |
56 |
52 |
51 |
49 |
48 |
Вязкость жидкости зависит и от давления. При давлении до 2·107 Па изменение вязкости воды незначительно и часто в расчетах не учитывается.
Относительная вязкость. Вязкость жидкостей может быть определена вискозиметром. Существует несколько типов таких приборов. В простом полевом вискозиметре, основанном на принципе истечения, в воронку наливается, например, глинистый раствор объемом 500 см3, вязкость которого следует установить. Измеряются температура и время истечения из воронки исследуемого раствора Тр; затем наливается в воронку дистиллированная вода при такой же температуре (обычно 20°С) и определяется время ее истечения Тв. Отношение есть относительная вязкость (для глинистых растворов она всегда больше 1).
6. Капиллярность (поверхностное натяжение) - это свойство жидкости изменять положение ее поверхности, вызванное натяжением и силой взаимодействия между нею и стенками трубок или мелкими порами грунта. Поверхностное натяжение зависит от температуры, уменьшаясь с ее ростом.
Вода из всех жидкостей имеет наибольшее поверхностное натяжение уt=0,081 Н/м. Для воды при температуре 20°С в трубке диаметром d мм высота капиллярного поднятия выражается формулой h=30/d мм
Рис.1.4. Капиллярное поднятие жидкости, смачивающей стенки (вода в стеклянном сосуде и капилляре)
7. Кавитация. В обычных условиях (при нормальном атмосферном давлении и обычной температуре) вода содержит около 2% объема растворенного в ней воздуха. Часть этого воздуха при понижении давления до определенного предела выделяется из воды, при этом образуются и пары жидкости.
Получившаяся смесь имеет свойства, резко отличающиеся от свойств воды, прежде всего сжимаемость, этой эмульсии резко возрастает. Выделившиеся пузырьки воздуха, и паров уносятся потоком в области повышенного давления, где паровые пузырьки конденсируются, а воздушные пузырьки сжимаются (смыкаются). Такое сжатие воздушного и конденсация парового пузырьков происходит мгновенно и сопровождается значительными мгновенными местными повышениями давлений, в несколько тысяч раз превосходящими атмосферное. В результате ограничивающие поток стенки или части механизмов (насосы, турбины), соприкасающиеся с потоком в тех местах, где конденсируются пузырьки пара, подвергающиеся многократным микроударам, разрушаются. Происходит эрозия материала. Описанное явление называется кавитацией Кикоин А.К., И. К. Кикоин, Молекулярная физика, «Наука», 2000.
1.2. Свойства жидкостей
Сжимаемость жидкостей
Молекулы в жидкостях находятся близко друг к другу, примерно на расстояниях равных размерам самих молекул. Это является причиной высокого молекулярного ван-дер-ваальсового давления, которое равно . Для воды, например, он равен около 11000 атм. Удельный объем жидкостей в тысячи раз меньше чем газов, следовательно, отношение в жидкостях в миллионы раз больше, чем в газах Павленко Ю.Г. Молекулярная физика. - М., 2002.
Большой величиной молекулярного давления объясняется ничтожно малая сжимаемость жидкостей. Это сразу видно из уравнения кривой Ван-дер-Ваальса, на которой жидкому состоянию соответствует участок AB (см. рис. 1). Коэффициент сжимаемости жидкости - относительное изменение объема dV при изменении давления на единицу т.е.
Опыт показывает, что коэффициент сжимаемости большинства жидкостей лежит в пределах от 10-4 до 10-5 .
Коэффициент сжимаемости жидкости зависит от давления. Он возрастает с повышением температуры. К этому результату можно прийти и опытным путем и исходя из уравнения Ван-дер-Ваальса. Поскольку это уравнение связывает температуру, объем и давление, то из него можно вычислить величину . При расчете необходимо учитывать, что постоянные a и b на самом деле зависят от температуры. Совокупность опытных данных позволила получить эмпирическую формулу для коэффициента сжимаемости жидкости:
где A - некоторая функция, возрастающая с температурой, p - внешнее давление и pT - давление, связанное с силами Ван-дер-Ваальса (a/V2) при температуре T. Эта формула показывает, что коэффициент сжимаемости растет с повышением температуры и уменьшается с ростом давления.
Среди всех жидкостей наибольшей сжимаемостью обладает жидкий гелий, у которого при давлении в несколько атмосфер коэффициент равен . Коэффициент сжимаемости воды равен , а ртути -.
Тепловое расширение жидкости
Тепловое расширение вещества характеризуется коэффициентом объемного расширения , т.е. относительным изменением объема V при изменении температуры T на 1 К.
Числовые значения коэффициента сильно зависят от температуры и давления. Для различных жидкостей значения при одинаковых температурах могут меняться весьма значительно. Так, например, для воды , для бензола , для жидкой углекислоты , глицерина и т.д. При повышении температуры сильно возрастает. Так для жидкой углекислоты при повышении температуры от 0° до 20° коэффициент теплового расширения возрастает вдвое. Увеличение давления несколько снижает значение .
Вода обладает аномальным тепловым расширением. В интервале от 0° до 3,98° коэффициент отрицателен: при нагревании объем воды уменьшается и наибольшей плотности вода достигает при 3,98° C. При этой температуре = 0.
Причиной этого явления является то, что молекулы воды имеют различный состав: не только H2O, но 2H2O и 3H2O. Относительные количества этих молекул меняются с температурой и давлением.
Теплоемкость жидкостей
Внутренняя энергия жидкостей определяется не только кинетической энергией тепловых движений частиц, но и их потенциальной энергией взаимодействия. Поэтому закономерности, полученные для теплоемкостей идеальных газов из уравнений кинетической теории, не могут быть справедливы для жидкостей.
Опыт показывает, что теплоемкость жидкостей зависит от температуры, причем вид зависимости у разных жидкостей различный. У большинства из них теплоемкость с повышением температуры увеличивается, но есть и такие у которых, наоборот, - уменьшается. У некоторых жидкостей теплоемкость с повышением температуры сначала падает, а затем, пройдя через минимум, начинает расти. Такой ход теплоемкости наблюдается у воды. Жидкости с большим молекулярным весом обычно имеют большие значения теплоемкостей. Особенно это проявляется у органических жидкостей.
У жидкостей, как и газов, следует различать теплоемкость при постоянном объеме и при постоянном давлении. Разность молярных теплоемкостей равна Cp - CV равна работе расширения pdV ( p - молекулярное давление ) моля жидкости при его нагревании на один градус, поэтому численное значение этой разности зависит от значения коэффициента объемного теплового расширения жидкости. В отличие от идеальных газов значение Cp - CV у жидкостей не равно постоянной R, а может быть и больше и меньше в зависимости от значения коэффициента объемного расширения и от величины внутренних сил взаимодействия частиц жидкости, против которых совершается работа расширения (давление p в выражении pdV связано именно с этими силами).
Так, у жидкого аргона при 140 К теплоемкость , а и, следовательно . У воды же при температуре около 0° C теплоемкость , а , так что .
Таким образом, численные значения теплоемкостей жидкостей могут быть самыми разнообразными. Исключение составляют жидкие металлы, у которых молярная теплоемкость обычно близка к значению .
Явления переноса в жидкостях
В жидкостях, как и в газах, наблюдаются явления диффузии, теплопроводности и вязкости. Но механизм этих процессов в жидкостях иной, чем в газах.
В отличие от газов, в жидкостях отсутствует понятие длины свободного пробега. Это связано с тем, что в жидкостях среднее расстояние между молекулами такого же порядка, как и размеры самих молекул. Молекулы жидкости могут совершать лишь малые колебания в пределах, ограниченных межмолекулярными расстояниями.
Такие колебания молекул время от времени сменяются скачками на некоторое расстояние , происходящими из-за получения молекулой в результате флуктуации избыточной энергии от соседних молекул. Колебания, сменяющиеся скачками, - и есть тепловые движения молекул жидкости.
Диффузия
Для явления диффузии в жидкости справедлив закон Фика. Он гласит:
,
где I - диффузионный поток в направлении оси X, D - коэффициент диффузии, а - градиент концентрации по оси X.
Обозначим время между скачками молекул через t, тогда величина - скорости молекулы. Это дает возможность сравнить со средней длинной свободного пробега, а - со средней скоростью молекул. Тогда по аналогии с идеальными газами коэффициент диффузии (точнее самодиффузии) жидкости равен:
.
Коэффициент самодиффузии сильно зависит от температуры, т.е. с повышением температуры он увеличивается.
Выражение коэффициента диффузии можно переписать в виде
,
где , причем - частота вышеописанных колебаний, а w - энергия, необходимая для скачка молекулы, называемая энергией активации молекулы.
Численное значение коэффициента диффузии у жидкостей много меньше чем у газов. Например коэффициент диффузии NaCl в воде равен 1,1·10-9 м2/с, в то время как для диффузии аргона в гелий он равен 7·10-5 м2/с.
Вязкость
Внутреннее трение жидкостей возникает при движении жидкости из-за переноса импульса в направлении, перпендикулярном к направлению движения. Перенос импульса из одного слоя в другой осуществляется при скачках молекул, о которых говорилось выше.
Очевидно, что жидкость будет тем менее вязкой, чем меньше время t между скачками молекул, и значит, чем чаще происходят скачки. Исходя из этого, можно написать выражение для коэффициента вязкости, называемого уравнением Френкеля - Андраде:
.
Множитель C, входящий в это уравнение зависит от дальности скачка , частоты колебаний и температуры. Однако температурный ход вязкости определяется множителем ew/kT. Как следует из этой формулы, с повышением температуры вязкость быстро уменьшается.
Теплопроводность
Теплопроводность в жидкостях имеет место при наличии градиента температуры. При этом энергия в жидкостях передается в процессе столкновения колеблющихся частиц. Частицы с более высокой энергией совершают колебания с большей амплитудой, и при столкновениях с другими частицами как бы раскачивают их, передавая им энергию. Такой механизм передачи энергии не обеспечивает ее быстрого переноса. Поэтому теплопроводность жидкостей очень мала.
Например, коэффициент теплопроводности этилового спирта составляет 1,76 Вт/м·К. Исключение составляют жидкие металлы, коэффициенты теплопроводности которых близки к значениям для твердых металлов. Это объясняется тем, что тепло в жидких металлах переносится не только вместе с передачей колебаний от одних частиц к другим, но и при помощи электронов, которые есть в металлах, но отсутствуют в других жидкостях.
Испарение
В поверхностном слое и вблизи поверхности жидкости действуют силы, которые обеспечивают существование поверхности и не позволяют молекулам покидать объем жидкости. Благодаря тепловому движению некоторая часть молекул имеет достаточно большие скорости, чтобы преодолеть силы, удерживающие молекулы в жидкости, и покинуть жидкость. Это явление называется испарением. Оно наблюдается при любой температуре, но его интенсивность возрастает с увеличением температуры.
Если покинувшие жидкость молекулы удаляются из пространства вблизи поверхности жидкости, то, в конце концов, вся жидкость испарится. Если же молекулы, покинувшие жидкость не удаляются, то они образуют пар. Молекулы пара, попавшие в область вблизи поверхности жидкости, силами притяжения втягиваются в жидкость. Этот процесс называется конденсацией.
Таким образом, в случае неудаления молекул скорость испарения уменьшается со временем. При дальнейшем увеличении плотности пара достигается такая ситуация, когда число молекул, покидающих жидкость за некоторое время, будет равно числу молекул, возвращающихся в жидкость за то же время. Наступает состояние динамического равновесия. Пар в состоянии динамического равновесия с жидкостью называется насыщенным.
С повышением температуры плотность и давление насыщенного пара увеличиваются. Чем выше температура, тем большее число молекул жидкости обладает энергией, достаточной для испарения, и тем большей, должна быть плотность пара, чтобы конденсация могла сравняться с испарением.
Кипение
Когда при нагревании жидкости достигается температура, при которой давление насыщенных паров равно внешнему давлению, устанавливается равновесие между жидкостью и ее насыщенным паром. При сообщении жидкости дополнительного количества теплоты происходит немедленное превращение соответствующей массы жидкости в пар. Этот процесс называется кипением.
Температурой кипения является та температура, при которой давление насыщенных паров становится равным внешнему давлению. При увеличении давления температура кипения увеличивается, а при уменьшении - уменьшается.
По причине изменения давления в жидкости с высотой ее столба, кипение на различных уровнях в жидкости происходит, строго говоря, при различной температуре. Определенную температуру имеет лишь насыщенный пар над поверхностью кипящей жидкости. Его температура определяется только внешним давлением. Именно эта температура имеется в виду, когда говорят о температуре кипения.
Количество тепла, которое необходимо подвести, для того чтобы изотермически превратить в пар определенное количество жидкости, при внешнем давлении, равном давлению ее насыщенных паров, называется скрытой теплотой парообразования. Обычно эту величину соотносят к одному грамму, или одному молю. Количество теплоты, необходимое для изотермического испарения моля жидкости называется молярной скрытой теплотой парообразования. Если эту величину поделить на молекулярный вес, то получится удельная скрытая теплота парообразования Кикоин А.К., И. К. Кикоин, Молекулярная физика, «Наука», 2000.
Глава 2. Квазикристаллические свойства жидкостей
2.1. Особенности физических свойств квазикристаллов
В 1984 году был обнаружен сплав алюминия с марганцем А10,86Мn0,14, образец которого, подвергнутый специальному методу быстрого охлаждения, рассеивал пучок электронов так, что на фотопластинке образовывалась ярко выраженная дифракционная картина с симметрией пятого порядка в расположении дифракционных максимумов (симметрия икосаэдра). Наличие резких дифракционных максимумов свидетельствовало о присутствии в структуре дальнего порядка в расположении атомов, характерного для кристаллов, поскольку это означает, что атомы в разных участках образца одинаково отражают пучок электронов. Однако симметрия наблюдавшейся дифракционной картины противоречила фундаментальным представлениям классической кристаллографии: такая симметрия физически невозможна для любых кристаллических веществ. Дальнейшие исследования показали, что в новом материале реализуется новый тип порядка, некристаллический и неаморфный (для аморфного вещества характерно наличие ближнего атомного порядка - кристаллического порядка только в пределах нескольких межатомных расстояний). Поэтому данное вещество было названо квазикристаллом Ахматов А.С. Молекулярная физика. - М., Знание, 2001.
Некоторое время спустя были найдены другие металлические сплавы с дальним порядком, но имеющие оси симметрии седьмого, восьмого, десятого, двенадцатого и т.д. порядков, запрещенные для кристаллов. В связи с этим расширилось и понятие квазикристаллов: в настоящее время под квазикристаллами принято понимать твердые металлические сплавы с дальним порядком, дифракционные пики которых расположены с некристаллографической симметрией.
Обычный кристалл представляет собой периодическую структуру из атомов или молекул. Любой кристаллической структуре присуща определенная симметрия. Кристаллы обладают дальним порядком двух типов, ориентационным и трансляционным. Трансляционный порядок означает возможность построить кристаллическую структуру путем трансляций элементарного строительного блока структуры с определенным расположением атомов на некоторый вектор элементарной ячейки кристалла. В таком случае говорят о существовании дальнего порядка в кристалле. Ориентационный порядок означает, что поворот кристалла вокруг определенной оси совмещает атомные позиции с самими собой. Кристаллы могут иметь вращательную симметрию третьего, четвертого или шестого порядка. Например, если кристалл имеет ось симметрии третьего порядка, то его кристаллическая решетка не изменится после поворота на одну треть окружности. Структура элементарной ячейки большинства кристаллов основана на таких простых геометрических телах, как куб, тетраэдр и октаэдр. Структура квазикристаллов, таких как сплав алюминия с марганцем, основана на другом геометрическом теле -- икосаэдре. Икосаэдр -- это многогранник, имеющий 20 граней, каждая из которых представляет собой равносторонний треугольник, 12 вершин и 30 ребер. Икосаэдр имеет симметрию пятого порядка: в каждой его вершине соединены пять граней. Икосаэдры невозможно упаковать так, чтобы они плотно, без зазоров, заполнили все пространство, поэтому они не могут служить элементарными ячейками кристаллов.
Интересны упругие и пластические свойства квазикристаллов. Упругие модули квазикристаллов меньше по величине, чем модули близких по составу кристаллических фаз. По упругим свойствам квазикристаллы гораздо ближе к аморфным металлам, чем к кристаллам. Пониженное значение упругих модулей указывает на более слабое межатомное взаимодействие, и на первый взгляд квазикристаллы должны легче деформироваться, чем их кристаллические аналоги. Однако высокая сила сопротивления движению дислокаций (линейных дефектов, (ответственных за пластическую деформацию) в квазикристалле делает их менее пластичными и соответственно реальными кандидатами на роль эффективных упрочнителей в сплавах.
В настоящее время открыто более 200 квазикристаллических сплавов, свойства которых активно исследуются. Эти объекты пока не нашли практического применения, но их изучение расширяет наши представления о строении вещества. Вопрос о квазикристаллическом состоянии не ограничивается физикой твердого тела. Симметрийные свойства квазикристаллов обладают универсальностью. Это означает, что если какой-либо способ упаковки ячеек некоторой формы найден в твердом теле, то такой же способ упаковки "жидких ячеек" может быть обнаружен в гидродинамических течениях, проблеме хаоса (в структуре фазовой плоскости динамической системы) и др. Поэтому в исследование квазикристаллов вовлечены физики, математики, кристаллографы и материаловеды. Однако вопрос о природе квазикристаллического состояния материи и объяснении свойств квазикристаллов все еще остается загадкой, которую преподнесла нам Природа.
Создания природы красивы и симметричны. Это неотделимое свойство природной гармонии. Здесь мы видим и одноклеточные организмы - феодарии, форма которых точно передает икосаэдр. Из всех многогранников с таким же количеством граней именно икосаэдр имеет наибольший объем и наименьшую площадь поверхности. Это геометрическое свойство помогает морскому микроорганизму преодолевать давление водной толщи. Интересно и то, что именно икосаэдр оказался в центре внимания биологов в их спорах относительно формы вирусов. Геометрические свойства икосаэдра позволяют экономить генетическую информацию. Простейшие живые организмы - вирусы - могут соединяться в кристаллы. Конечно, в кристаллическом состоянии они не обнаруживают никаких признаков живого, так как сложные жизненные процессы в кристаллах протекать не могут. Но при изменениях внешних условий на благоприятные (таковыми для вирусов являются условия внутри клеток живого организма) они начинают двигаться, размножаться.
Кристалл и живой организм представляют собой примеры осуществления крайних возможностей в природе. В кристалле неизменными остаются не только сами атомы и молекулы, но также их взаимное расположение в пространстве. В живом организме не только не существует сколько-нибудь постоянной структуры в расположении атомов и молекул, но ни на одно мгновение не остается неизменным его химический состав. В процессе жизнедеятельности организма одни химические соединения разлагаются на более простые, другие, наоборот, синтезируются из простых.
Но при всех химических процессах, протекающих в живом организме, организм остается самим собой в течение десятков лет. Более того, потомки каждого живого организма являются удивительно близкой его копией. Следовательно, в клетках любого животного или растения имеется что-то постоянное, неизменное, способное управлять химическими процессами, протекающими в них. Такими носителями «программы» процессов, протекающих в живой клетке, оказались молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, называемой кратко ДНК. В клетках человеческого организма одна такая молекула имеет длину несколько сантиметров! Имея очень малую толщину, молекулы укладываются спирально, клубком внутри клеток, видимых лишь в микроскоп.
Молекулы ДНК не только управляют процессами жизнедеятельности клетки, но и несут в себе полную информацию о строении и развитии всего живого организма из одной клетки. С полным основанием можно сказать, что молекула ДНК является основой жизни, носителем всех наследственных признаков организма.
Согласно современным данным, молекула ДНК представляет собой двойную спираль, составленную из небольшого числа сравнительно простых молекулярных соединений, повторяющихся в строго определенном для данного вида порядке. Диаметр молекулы ДНК равен 2*10-9 м, а длина может достигать нескольких сантиметров. Такие молекулы с точки зрения физики рассматриваются как особый вид твердого тела - одномерные апериодические кристаллы. Следовательно, кристаллы - это не только символ неживой природы, но и основа жизни на Земле Кикоин А.К., И. К. Кикоин, Молекулярная физика, «Наука», 2000.
2.2. Квазикристаллические свойства жидкостей и их состав
Молекулы вещества в жидком состоянии расположены почти вплотную друг к другу. В отличие от твердых кристаллических тел, в которых молекулы образуют упорядоченные структуры во всем объеме кристалла и могут совершать тепловые колебания около фиксированных центров, молекулы жидкости обладают большей свободой. Каждая молекула жидкости, также как и в твердом теле, «зажата» со всех сторон соседними молекулами и совершает тепловые колебания около некоторого положения равновесия. Однако, время от времени любая молекула может переместиться в соседнее вакантное место. Такие перескоки в жидкостях происходят довольно часто; поэтому молекулы не привязаны к определенным центрам, как в кристаллах, и могут перемещаться по всему объему жидкости. Этим объясняется текучесть жидкостей. Из-за сильного взаимодействия между близко расположенными молекулами они могут образовывать локальные (неустойчивые) упорядоченные группы, содержащие несколько молекул Ахматов А.С. Молекулярная физика. - М., Знание, 2001. Это явление называется ближним порядком (рис. 2.1).
|
Рис. 2.1. Пример ближнего порядка молекул жидкости и дальнего порядка молекул кристаллического вещества: 1 - вода; 2 - лед. |
Рис. 2.2 иллюстрирует отличие газообразного вещества от жидкости на примере воды. Молекула воды H2O состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, расположенных под углом 104°. Среднее расстояние между молекулами пара в десятки раз превышает среднее расстояние между молекулами воды. В отличие от рис. 2.1, где молекулы воды изображены в виде шариков, рис. 2.2 дает представление о структуре молекулы воды.
|
Рис. 2.2. Водяной пар (1) и вода (2). Молекулы воды увеличены примерно в 5·10*7 раз. |
Вследствие плотной упаковки молекул сжимаемость жидкостей, т. е. изменение объема при изменении давления, очень мала; она в десятки и сотни тысяч раз меньше, чем в газах.
Жидкости, как и твердые тела, изменяют свой объем при изменении температуры. Для не очень больших интервалов температур относительное изменение объема ДV / V0 пропорционально изменению температуры ДT:
Коэффициент в называют температурным коэффициентом объемного расширения. Этот коэффициент у жидкостей в десятки раз больше, чем у твердых тел. У воды, например, при температуре 20 °С вв ? 2·10-4 К-1, у стали вст ? 3,6·10-5 К-1, у кварцевого стекла вкв ? 9·10-6 К-1.
Тепловое расширение воды имеет интересную и важную для жизни на Земле аномалию. При температуре ниже 4 °С вода расширяется при понижении температуры (в < 0). Максимум плотности св = 103 кг/м3 вода имеет при температуре 4 °С.
При замерзании вода расширяется, поэтому лед остается плавать на поверхности замерзающего водоема. Температура замерзающей воды подо льдом равна 0 °С. В более плотных слоях воды у дна водоема температура оказывается порядка 4 °С. Благодаря этому может существовать жизнь в воде замерзающих водоемов.
Наиболее интересной особенностью жидкостей является наличие свободной поверхности. Жидкость, в отличие от газов, не заполняет весь объем сосуда, в который она налита. Между жидкостью и газом (или паром) образуется граница раздела, которая находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. Молекулы в пограничном слое жидкости, в отличие от молекул в ее глубине, окружены другими молекулами той же жидкости не со всех сторон. Силы межмолекулярного взаимодействия, действующие на одну из молекул внутри жидкости со стороны соседних молекул, в среднем взаимно скомпенсированы. Любая молекула в пограничном слое притягивается молекулами, находящимися внутри жидкости (силами, действующими на данную молекулу жидкости со стороны молекул газа (или пара) можно пренебречь). В результате появляется некоторая равнодействующая сила, направленная вглубь жидкости. Если молекула переместиться с поверхности внутрь жидкости, силы межмолекулярного взаимодействия совершат положительную работу. Наоборот, чтобы вытащить некоторое количество молекул из глубины жидкости на поверхность (т. е. увеличить площадь поверхности жидкости), надо затратить положительную работу внешних сил ДAвнеш, пропорциональную изменению ДS площади поверхности:
|
ДAвнеш = уДS. |
Коэффициент у называется коэффициентом поверхностного натяжения (у > 0). Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения равен работе, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу.
В СИ коэффициент поверхностного натяжения измеряется в джоулях на метр квадратный (Дж/м2) или в ньютонах на метр (1 Н/м = 1 Дж/м2).
Следовательно, молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной по сравнению с молекулами внутри жидкости потенциальной энергией. Потенциальная энергия Ep поверхности жидкости пропорциональна ее площади: Ep = Aвнеш = уS
Из механики известно, что равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии. Отсюда следует, что свободная поверхность жидкости стремится сократить свою площадь. По этой причине свободная капля жидкости принимает шарообразную форму. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие (стягивающие) эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.
Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на упругую растянутую пленку, с той только разницей, что упругие силы в пленке зависят от площади ее поверхности (т. е. от того, как пленка деформирована), а силы поверхностного натяжения не зависят от площади поверхности жидкости.
Рис. 2.3. Подвижная сторона проволочной рамки в равновесиипод действием внешней силы и результирующей сил поверхностного натяжения . |
Некоторые жидкости, как, например, мыльная вода, обладают способностью образовывать тонкие пленки. Всем хорошо известные мыльные пузыри имеют правильную сферическую форму - в этом тоже проявляется действие сил поверхностного натяжения. Если в мыльный раствор опустить проволочную рамку, одна из сторон которой подвижна, то вся она затянется пленкой жидкости (рис. 2.3).
Силы поверхностного натяжения стремятся сократить поверхность пленки. Для равновесия подвижной стороны рамки к ней нужно приложить внешнюю силу Если под действием силы перекладина переместиться на Дx, то будет произведена работа ДAвнеш = FвнешДx = ДEp = уДS, где ДS = 2LДx - приращение площади поверхности обеих сторон мыльной пленки. Так как модули сил и одинаковы, можно записать:
Коэффициент поверхностного натяжения у может быть определен как модуль силы поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии, ограничивающей поверхность.
Из-за действия сил поверхностного натяжения в каплях жидкости и внутри мыльных пузырей возникает избыточное давление Дp. Если мысленно разрезать сферическую каплю радиуса R на две половинки, то каждая из них должна находиться в равновесии под действием сил поверхностного натяжения, приложенных к границе 2рR разреза, и сил избыточного давления, действующих на площадь рR2 сечения (рис. 2.4). Условие равновесия записывается в виде
|
у2рR = ДpрR2. |
Отсюда избыточное давление внутри капли равно
|
Рис. 2.4. Сечение сферической капли жидкости |
Избыточное давление внутри мыльного пузыря в два раза больше, так как пленка имеет две поверхности:
Вблизи границы между жидкостью, твердым телом и газом форма свободной поверхности жидкости зависит от сил взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела (взаимодействием с молекулами газа (или пара) можно пренебречь). Если эти силы больше сил взаимодействия между молекулами самой жидкости, то жидкость смачивает поверхность твердого тела. В этом случае жидкость подходит к поверхности твердого тела под некоторым острым углом и, характерным для данной пары жидкость - твердое тело. Угол и называется краевым углом. Если силы взаимодействия между молекулами жидкости превосходят силы их взаимодействия с молекулами твердого тела, то краевой угол и оказывается тупым (рис. 2.5). В этом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность твердого тела. При полном смачивании и = 0, при полном несмачивании и = 180°.
Капиллярными явлениями называют подъем или опускание жидкости в трубках малого диаметра - капиллярах. Смачивающие жидкости поднимаются по капиллярам, несмачивающие - опускаются.
На рис. 2.6 изображена капиллярная трубка некоторого радиуса r, опущенная нижним концом в смачивающую жидкость плотности с. Верхний конец капилляра открыт. Подъем жидкости в капилляре продолжается до тех пор, пока сила тяжести действующая на столб жидкости в капилляре, не станет равной по модулю результирующей Fн сил поверхностного натяжения, действующих вдоль границы соприкосновения жидкости с поверхностью капилляра: Fт = Fн, где Fт = mg = сhрr2g, Fн = у2рr cos и. Отсюда следует:
|
Рис. 2.5. Краевые углы смачивающей (1) и несмачивающей (2) жидкостей. |
|
Рис. 2.6. Подъем смачивающей жидкости в капилляре |
При полном смачивании и = 0, cos и = 1. В этом случае
При полном несмачивании и = 180°, cos и = -1 и, следовательно, h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.
Вода практически полностью смачивает чистую поверхность стекла. Наоборот, ртуть полностью не смачивает стеклянную поверхность. Поэтому уровень ртути в стеклянном капилляре опускается ниже уровня в сосуде Кикоин А.К., И. К. Кикоин, Молекулярная физика, «Наука», 2000.
Заключение
Кристалл - одно из состояний мира, для которого характерна неоднородность физических свойств в разных направлениях.
Кристаллография - есть совокупность методов описания внешних форм кристаллов и их внутреннего пространственного строения. В основе лежит представление об упорядоченном трехмерно периодическом расположении в кристалле составляющих его частиц, которые составляют его кристаллическую решетку.
Кристаллы имеют форму правильных выпуклых многогранников той или иной симметрии. Группы симметрий характеризуются по числу измерений пространства, в котором они определены. Важнейшими являются пространства, описывающие атомную структуру пространства. В кристаллах возможны оси симметрии до 6-го порядка. Количество точечных кристаллографических групп, описывающих внешнюю форму кристаллов, ограничено: 32 группы.
Группы 1-го рода описывают кристаллы, состоящие только из совместно равных частей. Группы, содержащие кристаллы, в которых есть зеркально равные части относятся к группам 2-го рода. Кристаллы, описываемые группами 1-го рода, могут кристаллизоваться в двух формах, условно левой и правой, каждая из них не содержит элементов симметрии 2-го рода.
В настоящее время большое внимание уделяется изучению свойств квазикристаллов, являющихся составными частями новых видов форм материи.
Квазикристаллы являются иной точкой зрения на структуру материи. Так если бы мы были существами, живущими в другом измерении, то смогли бы увидеть не известную нам атомарную структуру материи, а структуру в виде упорядоченных квазикристаллических составляющих. Привычный атом водорода представился бы нам как шестигранный кристалл. Но, к сожалению, мы пока не имеем возможности увидеть мир квазикристаллов с помощью научных приборов, и потому можем приоткрыть этот удивительный мир, только с помощью нашего творческого воображения.
Квазикристаллическое состояние промежуточное между кристаллическим и аморфным. Структура квазикристаллов описывается с помощью геометрии замощения пространства. Физические свойства квазикристаллов отличаются от свойств металлов и диэлектриков. Замощение - это покрытие всей плоскости или поверхности неперекрывающимися фигурами. Так одномерным квазикристаллом считают цепочку атомов, структура этой цепочки описывается числами Фибоначи, и правилами Золого сечения.
В двумерном случае удобной моделью квазикристалла является паркет Пенроуза, открытый за 10 лет. В этой мозаике основными являются две фигуры: ромбы, имеющие разные внутренние углы, и называемые толстыми ромбами и тонкими. Отношение числа толстых ромбов к тонким равно золотому сечение (1,618). И поскольку такое число иррационально, нельзя выделить элементарную ячейку, которая содержала бы целое число ромбов.
Трехмерным обобщение паркета Пероуза является сеть Аммана -Маккея, заполнение поверхности идет ромбодрами, в результате чего образуется регулярный квазикристалл. Наибольшее распространение получил проекционный метод. Так например. для построения трехмерного икосаэдрическог8о квазикристалла, используется решетка в гипотетическом шестимерном пространстве, и трехмерное подпространство, ориентированное иррациональным образом к шестимерной решетке. Существуют и другие методы построения квазикристаллом, например метод мультигридов, позволяющий сразу проецировать квазикристалл в трехмерное пространство.
Вопрос о природе квазикристаллическом состоянии материи и объяснении свойств квазикристалла является все еще загадкой, которую нам преподнесла Природа Яковлев В.Ф. Курс физики. Теплота и молекулярная физика. - М.: Просвещение, 2004.
Список литературы
1. Агапов Б.Т., Максютин Г.В., Островерхов П.И. Лабораторный практикум по физике. - М.: Высшая школа, 2004.
2. Ахматов А.С. Молекулярная физика. - М., Знание, 2001.
3. Бакушинский В.Н. Организация лабораторных работ по физике в средней школе. - М., 2003.
4. Беклемишев А.В. Методика и организация лабораторных занятий по физике в высшей школе. - М.: Советская наука, 2006.
5. Деденко Л.Г., Керженцев В.В. Математическая обработка и оформление результатов эксперимента. - М., 2001.
6. Евграфова Н.Н., Каган В.Л. Руководство к лабораторным работам по физике. - М.: Высшая школа, 2004.
7. Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин. - Л.: Наука, 2004.
8. Кикоин А.К., И. К. Кикоин, Молекулярная физика, «Наука», 2000.
9. Ковалёв П.Г. Молекулярная физика, электродинамика. - Ростов: Университетское, 2003.
10. Лабораторные занятия по физике / Под ред. Гольдина Л.Л. - М.: Наука, 2005.
11. Лабораторный практикум по физике / Под ред. Ахматова А.С. - М.: Высшая школа, 2002.
12. Матвеев А. Н., Молекулярная физика, «Высшая школа», 2001.
13. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. - Л., 2003.
14. Павленко Ю.Г. Молекулярная физика. - М., 2002.
15. Павлов В.И. Механика, молекулярная физика. М., 2002.
16. Телеснин Р. В., Молекулярная физика, «Высшая школа», 2003.
17. Яковлев В.Ф. Курс физики. Теплота и молекулярная физика. - М.: Просвещение, 2004.
Подобные документы
Сущность и условия кипения жидкостей. Законы, действующие на пар, образующийся при этом внутри них. Поведение перегретой жидкости. Получение и свойства пересыщенного пара. Исследование кинетики в СССР. Научная деятельность кафедры молекулярной физики.
реферат [13,9 K], добавлен 16.01.2014Основное свойство жидкости: изменение формы под действием механического воздействия. Идеальные и реальные жидкости. Понятие ньютоновских жидкостей. Методика определения свойств жидкости. Образование свободной поверхности и поверхностное натяжение.
лабораторная работа [860,4 K], добавлен 07.12.2010Магнитная жидкость как коллоидная система магнитных частиц и ее физико-химические свойства. Статистические магнитные свойства МЖ. Физические основы метода светорассеяния. Методика проведения экспериментов по светорассеянию. Коэффициент деполяризации.
дипломная работа [740,7 K], добавлен 20.03.2007Физика низких температур. Низкотемпературные проблемы и возможности сжижения газов. Интенсивность тепловых движений. Свойства газов и жидкостей при низких температурах. Получение низких температур. Сверхтекучесть и другие свойства жидкого гелия.
курсовая работа [988,1 K], добавлен 16.08.2012Уравнение неразрывности потока жидкости. Дифференциальные уравнения движения Эйлера для идеальной жидкости. Силы, возникающие при движении реальной жидкости. Уравнение Навье - Стокса. Использование уравнения Бернулли для идеальных и реальных жидкостей.
презентация [220,4 K], добавлен 28.09.2013Конвективный теплообмен в однородной среде. Свободная (естественная) и вынужденная конвекции. Физические свойства жидкостей. Коэффициенты динамической вязкости, объемного (температурного) расширения жидкости. Гидродинамический пограничный слой.
презентация [100,5 K], добавлен 18.10.2013Реологические свойства жидкостей в микро- и макрообъемах. Законы гидродинамики. Стационарное движение жидкости между двумя бесконечными неподвижными пластинами и движение жидкости между двумя бесконечными пластинами, двигающимися относительно друг друга.
контрольная работа [131,6 K], добавлен 31.03.2008Роль одномерного анализа при решении технических задач. Уравнения Бернулли для идеальной и реальной жидкостей. Выражение скорости звука через термодинамические параметры. Изоэнтропийное течение, критический расход. Сопло Лаваля и принцип его действия.
реферат [962,8 K], добавлен 07.01.2014Свойства жидкостей и их поверхностное натяжение. Пример ближнего порядка молекул жидкости и дальнего порядка молекул кристаллического вещества. Явления смачивания и несмачивания. Краевой угол. Капиллярный эффект. Капиллярные явления в природе и технике.
контрольная работа [1,5 M], добавлен 06.04.2012Физико-химические методы исследования поверхностной активности жидкостей. Исследования с помощью барьерной системы Ленгмюра-Блоджет и весов Вильгельми динамики ее формирования в однокомпонентных растворах лаурата, каприлата калия и каприловой кислоты.
курсовая работа [2,3 M], добавлен 11.11.2014
