§ 52. Агрегатные состояния вещества

Для наиболее общей характеристики тепловых свойств тел пользуются понятием агрегатных состояний — газообразного, жидкого и твердого.

Благодаря большой разреженности вещества в газообразном состоянии его молекулы находятся сравнительно далеко друг от друга: на расстояниях, больших по сравнению с их собственными размерами. Поэтому взаимодействие между молекулами газа играет второстепенную роль; большую часть времени молекулы движутся как свободные, лишь сравнительно редко испытывая столкновения друг с другом. В жидкостях же молекулы сближены на расстояния, сравнимые с их собственными размерами, так что все они находятся в постоянном сильном взаимодействии и их тепловое движение имеет весьма сложный, запутанный характер.

В обычных условиях жидкости и газы настолько отличаются друг от друга по своей плотности, что различить их не представляет никакой трудности. Тем не менее различие между этими двумя состояниями вещества в действительности не принципиальное, а лишь количественное — в количественной величине плотности и связанной с этим разницей в интенсивности взаимодействия молекул. Отсутствие принципиального отличия между ними в особенности ясно проявляется в том, что переход между состояниями, которые мы называем жидким и газообразным, может быть, в принципе, произведен вполне непрерывным образом, так что мы ни в какой момент не смогли бы указать, где кончилось одно состояние и началось другое (об этом будет подробнее идти речь в §69).

Количественный характер имеет также и различие между жидкостями и так называемыми аморфными (не кристаллическими) твердыми телами; к последним относятся стекло, различные смолы (например, канифоль) и т. п. И здесь отсутствие принципиальной разницы ясно проявляется в возможности непрерывного перехода из одного состояния в другое. В этом случае такой переход осуществляется путем простого нагревания. Так, твердое стекло при нагревании постепенно размягчается, становясь, в конце концов, вполне жидким; этот процесс совершенно непрерывен и в нем не существует никакого определенного «момента перехода». По своей плотности аморфное тело отличается от получающейся из него жидкости лишь незначительно. Основным количественным различием между ними является разница в величине их вязкости, т. е. в их «текучести» (мы вернемся к этому вопросу в § 118).

Общим свойством газов, жидкостей и аморфных твердых тел является беспорядочность распределения молекул в них. Эта беспорядочность обусловливает собой изотропию этих тел — одинаковость их свойств по всем направлениям. Свойство изотропии принципиально отличает эти тела от анизотропных кристаллических твердых тел, в которых атомы расположены упорядоченным образом.

Тепловое движение атомов в твердых телах представляет собой малые колебания вокруг определенных положений равновесия. В кристаллах этими положениями являются узлы кристаллической решетки (в этом смысле мы выражались в предыдущей главе не вполне точно, говоря об узлах просто как о точках нахождения атомных ядер, а не как о точках, вокруг которых они совершают колебания). Хотя тепловое движение в твердых телах и более «упорядочение», чем в газах или жидкостях (атомы не уходят далеко от узлов), но и оно хаотично в том смысле, что амплитуды и фазы различных атомов различны и никак между собой не связаны.

Почти все твердые тела являются кристаллическими. Однако они лишь редко представляют собой отдельные, регулярные по всему своему объему, кристаллы, или, как их называют, монокристаллы; такие кристаллы образуются лишь в особых условиях их роста.

Обычно кристаллические твердые тела существуют в виде поликристаллов; таковы, например, все металлы. Эти тела представляют собой совокупность огромного числа отдельных мелких кристалликов — их называют кристаллитами или зернами,— часто микроскопических размеров; так, размеры кристаллитов в металлах обычно порядка величины 10~5—10_3 см (и существенно зависят от способа получения и обработки металла).

Взаимное расположение и ориентация отдельных кристаллитов в поликристаллическом веществе обычно вполне беспорядочны. Ввиду этого такое вещество, рассматриваемое в масштабах, больших по сравнению с размерами кристаллитов, оказывается изотропным. Как ясно из сказанного, эта изотропия поликристаллических тел имеет лишь вторичный характер, в противоположность анизотропии их истинной, молекулярной природы, проявляющейся в анизотропии отдельных кристаллитов.

Под влиянием той или иной обработки или применяя специальные методы выращивания, можно получить поликристаллический материал, в котором кристаллиты имеют некоторую преимущественную кристаллографическую ориентацию. В таких случаях говорят о наличии текстуры. Так, в металлах текстура может возникнуть в результате их деформирования при различных способах холодной обработки. Свойства таких материалов обнаруживают, естественно, анизотропию.