Механические Свойства Твердых Тел
Под действием приложенных внешних сил твердые тела изменяют свою форму и объем - деформируются. Если после прекращения действия силы, форма и объем тела полностью восстанавливаются, то деформацию называют упругой, а тело - абсолютно упругим. Деформации, которые не исчезают после прекращения действия сил, называются пластическими, а тела - пластичными.
Различают следующие виды деформаций: растяжение, сжатие, сдвиг, кручение и изгиб.
Деформацию растяжения характеризуют абсолютным удлинением дельта l и относительным удлинением е:
В СИ за единицу механического напряжения принимают 1Па = 1Н/м2.
Закон Гука (1635-1703): при малых деформациях напряжение прямо пропорционально относительному удлинению (б = Е • е). На рис.33 представлен график зависимости механического напряжения от относительного удлинения.
Участок 0А - область пропорциональности: на этом участке выполняется закон Гука. Точке А соответствует напряжение бпроп, называемое пределом пропорциональности.
Предел пропорциональности бпроп - максимальное напряжение, при котором закон Гука еще выполняется.
Предел упругости бупр - напряжение, при котором тело полностью утрачивает упругость (участок АВ).
На участке ВС наблюдается явление "текучести" материала: удлинение тела нарастает при незначительном росте деформирующей силы.
При дальнейшем увеличении удлинения тело вновь обретает способность сопротивляться деформации; напряжение в нем вновь увеличивается, достигая максимума в точке D, которой соответствует начало разрушения.
Предел прочности бпроч - наибольшее напряжение, возникающее в теле перед началом разрушения. Участку DE соответствует постепенное разрушение тела.
Все детали машин и механизмов изготавливаются со значительным, но разумным запасом прочности.
Отношение предела прочности материала (или предела текучести для пластичных тел) к фактически действующему напряжению называют коэффициентом запаса прочности (k). Например, в строительном деле коэффициент запаса прочности стальных балок установлен не менее 2,5 - 2,6, а для балок из хрупких материалов (чугун, бетон) не менее 3 - 9.
Механические свойства материалов различны. Такие материалы, как резина или сталь, обнаруживают упругие свойства при сравнительно больших напряжениях и деформациях. Их называют упругими.
Материалы, у которых незначительные нагрузки вызывают пластические деформации, называют пластичными (пластилин, свинец).
Большое значение на практике имеет такое свойство твердых тел, как хрупкость. Материалы называют хрупкими, если они разрушаются при небольших деформациях (чугун, фарфор).
Важной характеристикой материалов является твердость. Она характеризует способность материала оказывать сопротивление проникновению в него другого тела, т. е. способность противодействовать вдавливанию или царапанью.)
Свойства Паров и Жидкостей
Переход вещества из жидкого или твердого состояния в газообразное называется парообразованием. Различают следующие виды парообразования: испарение и кипение.Парообразование со свободной поверхности жидкости называется испарением, с поверхности твердого тела - сублимацией иливозгонкой.
Вследствие теплового движения молекул испарение возможно при любой температуре, но с возрастанием температуры скорость испарения увеличивается.
При переходе из жидкости в пар молекулы должны преодолеть силы молекулярного сцепления в жидкости. Работа против этих сил, а также против внешнего давления уже образовавшегося пара совершается за счет кинетической энергии теплового давления молекул. В результате испарения жидкость охлаждается. Чтобы процесс испарения протекал при постоянной температуре, необходимо жидкости сообщать тепло.
Физическая величина, показывающая какое количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость массой 1 кг в пар без изменения температуры, получила название удельной теплоты парообразования:
1 джоуль на килограмм равен удельной теплоте парообразования жидкости, имеющей при массе 1 кг теплоту парообразования 1Дж, если температура жидкости не меняется.
Q = Lm - теплота, необходимая для превращения жидкости массой m в пар без изменения температуры.
Переход вещества вследствие его охлаждения или сжатия из газообразного состояния в жидкое или твердое называетсяконденсацией. Конденсация пара возможна только при температуре ниже критической для данного вещества. Температура, при которой теряется различие между жидкостью и ее насыщенным паром, называется критической.
При конденсации выделяется количество теплоты, которое было затрачено на испарение сконденсировавшегося вещества.
Q = -Lm, где L - удельная теплота конденсации. Дождь, снег, роса, иней - следствия конденсации водяного пара в атмосфере.
Конденсация широко применяется в энергетике, химической технологии, в холодильной и криогенной технике, в опреснительных установках и т. д.
Процесс перехода жидкости в пар называется кипением. Оно характеризуется, в отличие от испарения, тем, что образование пара происходит не только на поверхности, но и по всей массе жидкости. При этом в объеме жидкости образуются пузырьки пара или заполненных паром полостей на нагреваемых поверхностях. Пузырьки, образующиеся при кипении, легче всего образуются на пузырьках воздуха или других газов, обычно присутствующих в жидкости.
Кипение становится возможным, если давление насыщенных паров жидкости делается равным внешнему давлению. Поэтому данная жидкость, находясь под внешним давлением, кипит при вполне определенной температуре.
Температура, при которой происходит кипение жидкости, находящейся при постоянном давлении, называют температурой кипения (tкип ).
Обычно температуру кипения приводят для нормального атмосферного давления. При увеличении давления, под которым находится жидкость, ее температура кипения повышается, при уменьшении давления - понижается. На вершине Джомолунгмы вода кипит при 72 °С.
Температура кипения при нормальном атмосферном давлении приводится обычно как одна из основных характеристик химически чистого вещества. Самой низкой температурой кипения при нормальном давлении обладает жидкий гелий (4,215 К), водород кипит при 20 К (-253 °С), кислород при 90 К (-183 °С), цинк при 1179 К (906 °С), железо при 3145 К (2872 °С).
Если жидкость свободна от газов, то образование в ней пузырьков пара затруднено. Такую жидкость можно перегреть, т. е. нагреть выше температуры кипения без того, чтобы она вскипела. Если в такую нагретую жидкость ввести ничтожное количество газа или твердых частичек, к поверхности которых прилип воздух, то она мгновенно и очень бурно закипает. Температура жидкости при этом падает до температуры кипения. Подобные явления могут служить причиной взрыва паровых котлов.
Для поддержания кипения к жидкости необходимо подводить теплоту, которая расходуется на парообразование и на работу пара против внешнего давления.
Предельной температурой кипения при изменении давления является критическая температура вещества, при которой исчезают различия в физических свойствах между жидкостью и ее насыщенным паром.
При критической температуре плотность и давление насыщенного пара становятся максимальными, а плотность жидкости, находящейся в равновесии с паром, - минимальной.
При температуре выше критической Тк вещество может находиться только в газообразном состоянии и не может быть переведено сжатием в жидкое состояние. При температурах ниже критической вещество может существовать в зависимости от давления либо в газообразном, либо в жидком состоянии, либо одновременно в виде двух фаз: жидкости и ее насыщенного пара.
Упругость насыщенных паров не может превышать критическое давление данного вещества. Объем вещества в жидком состоянии не может иметь значения больше, чем критический объем данного количества этого вещества.
При критической температуре теплота парообразования равна нулю.
Пар, находящийся в термодинамическом равновесии с жидкостью того же состава, называется насыщенным. Давление насыщенного пара зависит от температуры и рода жидкости и не зависит от объема.
Ненасыщенный пар находится при давлении, которое ниже давления насыщенного пара. В этом случае равновесие между процессами конденсации и испарения отсутствуют. Давление ненасыщенного пара зависит от температуры, объема и рода жидкости.
