Твердими називають такі тіла, які зберігають об’єм і форму навіть під час дії на них інших тіл (сил). Причиною такої стійкості є характер руху і взаємодії молекул: вони не можуть змінювати положення своєї рівноваги, здійснюючи малі коливання. Енергія і амплітуда коливань тим більша, чим вища температура тіла.

Властивості твердих тіл визначаються їх хімічним складом і залежать від характеру міжатомних зв'язків, типу кристалічної структури та ступеня кристалічної досконалості, а також від фазового складу. Залежно від кількості складових компонентів, що входять в них, тверді тіла можна поділити на прості (однокомпонентні) і складні (багатокомпонентні), останні у свою чергу, можуть бути хімічною сполукою (неорганічною або органічною) або твердими розчинами різного типу (заміщення, вкорінення).

За типом упорядкування атомів розрізняють кристалічні і аморфні тверді тіла. Кристали характеризуються наявністю просторової періодичності в розміщенні рівноважних положень коливань атомів, тобто наявністю кристалічної ґратки. Атоми аморфних твердих тіл коливаються поблизу невпорядковано розміщених точок.

Типи зв'язку між атомами у твердих тілах поділяють на п'ять класів:

• Іонний зв'язок (наприклад, NaCl). Основними силами є сили електростатичного притягання.

• Ковалентний зв'язок (наприклад, С (алмаз), Ge, Si). Атоми поділяють одну або більше спільних пар електронів, що спричиняють їх взаємне притягування.

• Металічний зв'язок (наприклад, Cu, Al). Зв'язок між атомами реалізується за рахунок узагальнення їх валентних електронів.

• Молекулярний зв'язок (наприклад, Ar, СН₄). Кристал, що утворений з молекул, які пов'язані між собою ван-дер ваальсовими силами.

• Водневий зв'язок (наприклад, Н₂О (лід), H₂F). Зв'язок, що реалізується за донорно-акцепторним механізмом.

За домінуючими механічними властивостями в умовах деформування під навантаженням виділяють пружні, пластичні, в'язкі та крихкі тверді тіла.

За електричними властивостями тверді тіла розділяють на метали і неметали. Електричні, магнітні і деякі інші властивості твердих тіл визначаються переважно характером руху валентних електронів його атомів. У зв'язку з цим тверді тіла поділяються за електричними властивостями на діелектрики, напівпровідники, метали, сегнетоелектрики;

За магнітними властивостями виділяють діамагнетики і парамагнетики та магнітовпорядковані тверді тіла (феро-, антиферо- і феромагнетики). Електричні, магнітні і деякі інші властивості твердих тіл визначаються переважно характером руху валентних електронів атомів.

Під фізичними властивостями твердих тіл розуміється їх специфічна поведінка при впливі певних сил і полів. Існує три основних способи впливу на тверді тіла, відповідні трьом основним видам енергії: механічний, термічний (тепловий) і електромагнітний. Відповідно виділяють три основних групи фізичних властивостей.

Механічні властивості зв'язують механічні напруження і деформації тіла, які можна поділити на пружні, міцнісні, реологічні й технологічні. Крім того, при впливі на тверді тіла рідин або газів виявляються їх гідравлічні і газодинамічні властивості.

До термічних (теплових) належать властивості, які виявляються під впливом теплових полів.

До електромагнітних властивостей умовно можна віднести радіаційні, що проявляються при впливі на тверде тіло потоків мікрочастинок або електромагнітних хвиль значної жорсткості (рентгенівських, гамма-променів тощо).

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.

A. різко для обох тіл при досягненні ними певної відповідної температури;

Б. різко при досягненні певної температури лише тілом із кристалічної речовини;

B. різко при досягненні певної температури лише тілом з аморфної речовини;

Г. поступово для обох тіл, супроводжуючись підвищенням температури суміші речовини в рідкому і твердому станах.

Розв'язання.

Тверді тіла діляться на дві групи: кристалічні та аморфні тіла. Кристалічні тіла. Частинки кристалів розміщені у вузлах кристалічної ґратки у строгому порядку, який називають дальнім.

Властивості кристалічних тіл:

а) кристали (монокристали) — анізотропні, їхні фізичні властивості залежать від вибраного в кристалі напряму;

б) кристалічне тіло, досягаючи певної температури — температури плавлення, — починає плавитись.

Аморфні тіла. У аморфних тіл зберігається ближній порядок у розташуванні атомів, але відсутній дальній порядок. Звідси випливають властивості аморфних тіл:

а) на відміну від кристалічних тіл, вони повністю ізотропні: їхні фізичні властивості однакові в усіх напрямках.

б) вони не мають температури плавлення, оскільки немає кристалічної ґратки, в них с діапазон температур, при якому вони плавляться. При нагріванні вони розм’якшуються (ріднуть);

в) вони пластичні, у них відсутня межа пружності;

г) з часом аморфні тіла кристалізуються.

Аморфні тіла нагадують дуже в’язку рідину. До аморфних тіл належать бурштин, смола, скло, плавлений цукор, пластмаси та ін.

Відповідь. Б.

Властивості речовини

1. Речовина зберігає об’єм, але не зберігає форму.

2. Тиск речовини за сталої температури обернено пропорційний об’єму.

3. Речовина є анізотропною.

4. Тиск речовини за сталої температури не залежить від об'єму.

Стан речовини

A. Полікристал. Б. Насичена пара.

B. Монокристал. Г. Ідеальний газ.

Д. Рідина.

Розв’язання.

Розглянемо усі випадки:

1) речовина зберігає об’єм, але не зберігає форму — рідина;

2) тиск речовини за сталої температури обернено пропорційний об’єму — ідеальний газ;

3) речовина є анізотропною (неоднаковість фізичних властивостей у різних напрямках) — монокристал (один суцільний кристал). До монокристалів належать, наприклад, дорогоцінні камені: ісландський шпат, топаз, алмаз та ін.;

4) тиск речовини за сталої температури не залежить від об’єму — насичена пара. Якщо об’єм збільшити, то випаровування переважає над конденсацією, до тих пір, поки не встановиться знову ТДР води і її пари. Якщо об’єм зменшити, то конденсація переважає над випаровуванням до тих пір, поки знову не встановиться ТДР води і її пари.

Полікристал (багато монокристалів хаотично зрощені докупи) — у цілому ізотропний, чим більше кристалів, тим він — ізотропніший. До полікристалів належать: кам’яна сіль, кварц, цукор, лід, залізо, мідь та ін.

Відповідь. 1Д, 2Г, 3В, 4Б.