【热学竞赛教程】第三讲__固体和液体选编.doc

第三讲 固体和液体 第三讲 固体和液体 §3．1 固体的有关性质 固体可以分为晶体和非晶体两大类。岩盐、水晶、明矾、云母、冰、金属等都是晶体；玻璃、沥清、橡胶、塑料等都是非晶体。 (1)晶体和非晶体 晶体又要分为单晶体和多晶体两种。单晶体具有天然规则的几何外形，如雪花的形状总是六角形的。并且，单晶体在各个不同的方向上具有不同的物理性质，即各向导性。如力学性质(硬度、弹性模量等)、热性性质(热胀系数、导热系数等)、电学性质(介电常数、电阻率等)、光学性质(吸收系数、折射率等)。如云母结晶薄片，在外力作用下很容易沿平行于薄片的平面裂开，但在薄片上裂开则要困难得多；在云母片上涂一层薄薄的石蜡，然后用烧热的钢针去接触云母片的反面，则石蜡将以接触点为中心、逐渐向四周熔化，熔化了的石蜡成椭圆形，如果用玻璃片做同样的实验，熔化了的石蜡成圆形，这说明非晶体玻璃在各方向的导热系数相同，而晶体云母沿各方向的导热系数不同。 因多晶体是由大量粒(小晶体)无规则地排列组合而成，所以，多晶体不但没有规则的外形，而且各方向的物理性质也各向同性。常见的各种金属材料就是多晶体。 但不论是单晶体还是多晶体，都具有确定的熔点，例如不同的金属存在着不同的熔点。 非晶体没有天然规则的几何外形，各个方向的物理性质也相同，即各向同性。非晶体在加热时，先逐渐变软，接着由稠变稀，最后成为液体，因此，非晶体没有一定的熔点。晶体在加热时，温度升高到熔点，晶体开始逐渐熔解直到全部融化，温度保持不变，其后温度才继续上升。因此，晶体有一定的熔点。 (2)空间点阵 图3-1-1 A B C D 图3-1-2 晶体与非晶体性质的诸多不同，是由于晶体内部的物质微粒(分子、原子或离子)依照一定的规律在空间中排列成整齐的后列，构成所谓的空间点阵的结果。 图3-1-1是食盐的空间点阵示意图，在相互垂直的三个空间方向上，每一行都相间的排列着正离子(钠离子)和负离子(氯离子)。 晶体外观的天然规则形状和各向异性特点都可以用物质微粒的规则来排列来解释。在图3-1-2中表示在一个平面上晶体物质微粒的排列情况。??图上可以看出，沿不同方向所画的等长直线AB、AC、AD上，物质微粒的数目不同，直线AB上物质微粒较多，直线AD上较少，直线AC上更少。正因为在不同方向上物质微粒排列情况不同，才引起晶体在不同方向上物理性质的不同。 组成晶体的粒子之所以能在空间构成稳定、周期性的空间点阵，是由于晶体微粒之间存在着很强的相互作用力，晶体中粒子的热运动不能破坏粒子之间的结合，粒子仅能在其平衡位置(结点处)附近图3-1-3 做微小的热振动。晶体熔解过程中达熔点时，它吸收的热量都用来克服有规则排列的空间点阵结构，所以，这段时间内温度就不会升高。 例题:NaCl的单位晶胞是棱长a=5.610m的立方体，如图7-1-3。黑点表示Na位置，圆圈表示Cl位置，食盐的整体就是由这些单位晶胞重复而得到的。Na原子量23，Cl原子量35.5，食盐密度g/m。我们来确定氢原子的质量。 在一个单位晶胞里，中心有一个Na，还有12个Na位于大立方体的棱上，棱上的每一个Na同时为另外三个晶胞共有，于是属于一个晶胞的Na数n=1+=4，Cl数n=4。晶胞的质量m=4(m+m)原子质量单位。a=4(23+35.5)m，得m=1.6710kg。 §3．2 固体的热膨胀 几乎所有的固体受热温度升高时，都要膨胀。在铺设铁路轨时，两节钢轨之间要留有少许空隙，给钢轨留出体胀的余地。一个物体受热膨胀时，它会沿三个方向各自独立地膨胀，我们先讨论线膨胀。 固体的温度升高时，它的各个线度(如长、宽、高、半径、周长等)都要增大，这种现象叫固体的线膨胀。我们把温度升高1℃所引起的线度增长跟它在0℃时线度之比，称为该物体的线胀系数。 设一物体在某个方向的线度的长度为，由于温度的变化△T所引起的长度的变化△。由实验得知，如果△T足够小，则长度的变化△与温度的变化成正比，并且也与原来的长度成正比。即△=△T．式中的比例常数称作线膨胀系数。对于不同的物质，具有不同的数值。将上式改写为.。所以，线膨胀系数α的意义是温度每改变1K时，其线度的相对变化。 即： 式中的单位是1/℃，为0℃时固体的长度，为℃时固体的长度，一般金属的线胀系数大约在/℃的数量级。 上述线胀系数公式，也可以写成下面形式 如果不知道0℃时的固体长度，但已知℃时固体的长度，则℃时的固体长度为 于是，这是线膨胀有用的近似计算公式。 对于各向同性的固体，当温度升高时，其体积的膨胀可由其线膨胀很容易推导出。为简单起见，我们研究一个边长为l的正方体，在每一个线度上均有： 。因固体的α值很小，则相比非常小，可忽略不计，则 式中的3α称为固体的体膨胀系数。 随着每一个线度的膨胀，固体的表面积和体积也