Тверде тіло

Загалом зберігаючи форму, за відсутності чи незначного силового впливу, тверді тіла здатні деформуватися під впливом зовнішніх сил. Деформацією твердого тіла називають зміну його розмірів і об'єму, що переважно супроводжується зміною форми тіла. В деяких випадках (всебічні стиснення або розтягування) форма тіла зберігається.

В залежності від величини прикладеної сили деформація може бути пружною, пластичною або руйнівною. При пружній деформації тіло повертає собі початкову форму і розміри після зняття прикладених сил. Відклик пружного твердого тіла на прикладене зусилля характеризується модулями пружності на основі закону Гука. Відмінною рисою твердого тіла в порівнянні з рідинами та газами є те, що воно чинить опір не тільки розтягу та стисканню, а також зсуву, згину й крученню.

При пластичній деформації початкова форма тіла не зберігається. Характер деформації залежить також від часу, впродовж якого діє зовнішня сила. Тверде тіло може деформуватися пружно при короткочасній дії, але пластично, якщо зовнішні сили діють тривалий час. Така поведінка називається повзучістю. Однією з деформаційних характеристик тіла є його твердість — здатність опиратися проникненню в нього інших тіл.

Кожне тверде тіло має властивий йому поріг деформації, після якої наступає руйнування. Властивість твердого тіла опиратися руйнуванню характеризується міцністю. При руйнуванні в твердому тілі з'являються і розповсюджуються тріщини, які врешті-решт призводять до розлому.

До механічних властивостей твердого тіла належить також його здатність проводити звук, який є хвилею, що переносить локальну деформацію з одного місця в інше. На відміну від рідин та газів у твердому тілі можуть розповсюджуватися не лише поздовжні звукові хвилі, а й поперечні, що зв'язано з опором твердого тіла деформації зсуву. Швидкість звуку в твердих тілах загалом вища, ніж у газах, зокрема в повітрі, оскільки міжатомна взаємодія набагато сильніша. Швидкість звуку в кристалічних твердих тілах характеризується анізотропією, тобто залежністю від напрямку поширення.

Найважливійшою тепловою властивістю твердих тіл є їх здатність при підвіщенні температури до фазових переходів, таких як плавлення (перехід у рідкий стан) і, для деяких речовин (лід, йод, тверда вуглекислота, тощо), —сублімація (безпосередній перехід у газовий стан). Фізична величина, що характерізує плавлення кристалічних тіл є температура плавлення. Іншою важливою характеристикою плавлення є теплота плавлення або прихована теплота плавлення. Оборотний процес плавленню має назву кристалізація, а сублімації ─ десублімація Температура і теплота кристалізаціі дорівнюють, відповідно, температурі і теплоті плавлення. На відміну від кристалів, у аморфних твердих тіл перехід до рідкого стану з підвищенням температури відбувається поступово. Його характеризують температурою склування, тобто температурою, вище якої матеріал майже повністю втрачає пружність і стає пластичним.

Зміна температури викликає деформацію твердого тіла, здебільшого підвищення температури призводить до розширення. Кількісно вона характеризується коефіцієнтом теплового розширення. Розглядають лінійне або об'ємне теплове розширення.

Коефіцієнт лінійного теплового розширення визначається як відношення зміни лінійних розмірів матеріалу до зміни температури. Отже, це відносна зміна довжини на градус зміни температури:

${\displaystyle \alpha _{L}={\frac {1}{L}}\,{\frac {dL}{dT}},}$

де ${\displaystyle L}$ — лінійний розмір (наприклад, довжина) і ${\displaystyle dL/dT}$ — зміна лінійного розміру на одиницю зміни температури.

Об'ємний коефіцієнт теплового розширення може бути записаний

${\displaystyle \alpha _{V}={\frac {1}{V}}\,{\frac {dV}{dT}}}$

де ${\displaystyle V}$ — об'єм матеріалу, і ${\displaystyle dV/dT}$ інтенсивність зміни об'єму із зміною температури.

Для ізотропних матеріалів, коефіцієнт лінійного теплового розширення становить приблизно одну третину від об'ємного коефіцієнта теплового розширення.

${\displaystyle \alpha _{V}\approx 3\alpha _{L}}$

Матеріали з анізотропною структурою, такі як кристали чи композити, зазвичай, мають різні коефіцієнти лінійного розширення ${\displaystyle \alpha _{L}}$ у різних напрямках. У результаті, загальне значення об'ємного розширення розподіляється нерівномірно серед трьох осей. У таких випадках для розрахунків теплового розширення слід вводити тензор коефіцієнта теплового розширення, що може містити до шести незалежних компонентів.

Явище теплопровідності полягає в тому, що кінетична енергія атомів й молекул, яка визначає температуру тіла, передається атомам і молекулам у тих областях тіла, де температура нижча.

При теплопровідності величина потоку тепла визначається різницею температури між різними областями тіла. Кількісно теплопровідність характеризується коефіцієнтом теплопровідності ${\displaystyle \kappa }$, який входить в рівняння (закон Фур'є)

${\displaystyle \mathbf {q} =-\kappa \nabla T}$.

Тут ${\displaystyle \mathbf {q} }$ — тепловий потік, T — температура, ${\displaystyle \nabla }$ — оператор Гамільтона набла, яким позначається градієнт.

Коефіцієнт теплопровідності вимірюється у Вт/(м•K) або Вт•м⁻¹•K⁻¹.

Однією з головних електричних властивостей твердих тіл є електропровідність. (Оборотна властивість є електричний опір). В залежності від величини питомого опору тверді тіла поділяються на провідники та діелектрики, проміжне положення між якими займають напівпровідники. Напівпровідники мають малу електропровідність, однак для них характерне її зростання з температурою. Електричні властивості твердих тіл пов'язані з їхньою електронною структурою. Для діелектриків властива щілина в енергетичному спектрі електронів, яку у випадку кристалічних твердих тіл називають забороненою зоною. Це область значень енергії, яку електрони в твердому тілі не можуть мати. В діелектриків усі електронні стани, нижче від щілини заповнені, і завдяки принципу Паулі електрони не можуть переходити із одного стану в інший, чим зумовлена відсутність провідності. Провідність напівпровідників дуже сильно залежить від домішок — акцепторів та донорів.

Існує певний клас твердих тіл, для яких характерна іонна провідність. Ці матеріали називають суперіоніками. Здебільшого це іонні кристали, в яких іони одного сорту можуть доволі вільно рухатися між непорушною ґраткою іонів іншого сорту.

При низьких температурах для деяких твердих тіл властива надпровідність — здатність проводити електричний струм без опору.

Існує клас твердих тіл, які можуть мати спонтанну поляризацію — піроелектрики. Якщо ця властивість характерна тільки для однієї з фаз, що існує в певному проміжку температур, то такі матеріали називаються сегнетоелектриками. Для п'єзоелектриків характерний сильний зв'язок між поляризацією і механічною деформацією.

За магнітними властивостями тверді тіла діляться на два класи: слабомагнітні і сильномагнітні. До слабомагнітним відносяться діамагнетики і парамагнетики, до сильномагнітним — феромагнетики. Феромагнетикам властиве існування внутрішнього магнітного поля, яке в багато разів перевищує зовнішнє поле, що стало "поштовхом" для його наведення. [9]

Оптичні властивості твердих тіл дуже різноманітні. Метали здебільшого мають високий коефіцієнт відбиття світла у видимій області спектру, багато діелектриків прозорі, як, наприклад, скло. Часто колір того чи іншого твердого тіла зумовлений поглинанням світла домішками. Для напівпровідників та діелектриків характерна фотопровідність — збільшення електропровідності при освітленні.

У теоретичній механіці ідеалізованою схемою реального твердого тіла є абсолютно тверде тіло, тобто таке, у якому при будь-яких обставинах відстані між довільними точками є сталими — не змінюються ні розміри, ні форма тіла.

У теорії пружності та її прикладному застосуванню опорі матеріалів також розглядаються моделі, котрі враховують і абсолютизують окремі властивості твердого тіла. До цих властивостей відносяться: деформівність, однорідність, суцільність, ізотропність. Прийняття умов однорідності і суцільності при малих деформаціях дозволяє застосувати методи аналізу нескінченно малих величин, що суттєво спрощує побудову теорії опору матеріалів.

Вважається також, що залежність між напруженнями і деформаціями описуються є лінійною (див. Закон Гука).

У теоріях пластичності моделі твердого тіла базуються на ідеалізації властивості деформаційного зміцнення або/та властивості плинності твердих тіл у напружено-деформованому стані.

У математиці (геометрії) об'єктом розгляду є уявне тверде тіло, в якому зберігаються лише форма і розміри при повному абстрагуванні від усіх інших властивостей. На відміну від реальних предметів геометричні тіла, як і всякі геометричні фігури, є уявними об'єктами.

Порувате тверде тіло з адсорбційними властивостями, які можуть бути використані для хроматографічного розділення.