21 STRUKTURA A VLASTNOSTI PEVNÝCH LÁTEK

Pevné látky si zachovávají pevný tvar.

21.1 STRUKTURA

21.1.1 Krystalické látky
Pravidelné uspořádání částic – dalekodosahové uspořádání.
Monokrystaly – v celém krystalu je zachováno pravidelné uspořádání částic, rozložení částic se periodicky opakuje (sůl – NaCl, křemen – SiO2, diamant), někdy jsou anizotropní.
Polykrystaly – z velkého počtu drobných krystalků (zrn), uvnitř zrna jsou částice uspořádány pravidelně, vzájemná poloha zrn je nahodilá (kovy, zeminy), většinou jsou izotropní (jejich vlastnosti jsou ve všech směrech stejné).

21.1.2 Amorfní látky
Periodické uspořádání částic je omezeno na vzdálenost asi 10–8 m – krátkodosahové uspořádání.
Většinou jsou izotropní (sklo, pryskyřice, vosk, asfalt, plasty)

21.2 IDEÁLNÍ KRYSTALOVÁ MŘÍŽKA
Krystaly, ve kterých jsou částice dokonale pravidelně rozložené, jsou ideální krystaly a mají ideální krystalovou mřížku.
Získáme ji opakovaným posouváním základní (elementární) buňky krystalu. Délka hrany základní krychle se nazývá mřížková konstanta (mřížkový parametr) a.
Kubická elementární buňka – prostá (částice jsou pouze v rozích krychle – ), plošně centrovaná (částice jsou v rozích a ve středech stěn – ), prostorově centrovaná (v rozích a uprostřed krychle – ).

21.2.1 Poruchy krystalické mřížky
Reálné krystaly mají ve své struktuře odchylky od pravidelného uspořádání – poruchy.
Vakance – v krystalové mřížce chybí jedna částice, příčinou může být tepelný kmitavý pohyb částic.
Intersticiální poloha – v mřížce je jedna částice navíc mimo bod pravidelné mřížky, souvisí s předchozí poruchou.
Příměsi – cizí částice vyskytující se v krystalu, buď nahrazuje vlastní částici mřížky nebo je v intersticiální poloze, ovlivňují vlastnosti látky (ocel, polovodiče).

21.3 VAZBY V KRYSTALECH
Mezi částicemi působí vazebné síly. V reálných krystalech se většinou uplatňuje více typů vazeb.
Iontová – vzniká mezi atomem s malým počtem elektronů ve valenční slupce (jejich ztrátou se přemění na kladně nabitý ion se zcela zaplněnou valenční slupkou) a atomem, kterému se tento malý počet elektronů ve valenční slupce nedostává (jejich doplněním přejde na ion nabitý záporně) – NaCl. Iontově vázaná molekula může ve vodném roztoku opět disociovat a vytvořit elektrolyt. Krystaly vytvořené iontovou vazbou jsou tvrdé, mají vysokou teplotu tání, jsou však křehké a štěpné. Za běžných teplot jsou to izolanty, při vyšších teplotách jsou elektricky vodivé.
Vodíková – vodíkový můstek, spojuje např. H2O, je poměrně slabá.
Kovová – mřížka se skládá z kladných iontů, mezi nimiž se neuspořádaně pohybují elektrony. Mají velmi dobrou tepelnou i elektrickou vodivost, nejsou štěpné, jsou méně pevné a snadněji deformovatelné.
Kovalentní – atomy společně vlastní dva elektrony, čímž jsou vzájemně vázány. Každý atom dodal jeden elektron. Krystaly jsou tvrdé, mají vysokou teplotu tání a jsou nerozpustné v běžných rozpouštědlech.
Van der Waalsova – slabá vazba typická pro krystaly inertních plynů, které jsou stabilní jen za velmi nízkých teplot. Jsou měkké a mají nízkou teplotu tání.

21.4 DEFORMACE PEVNÉHO TĚLESA
Pružná (elastická) je dočasná a vymizí, když přestanou působit síly. Tvárná (plastická) je trvalá.

1) Tahem
2) Tlakem
3) Ohybem
4) Smykem
5) Kroucením

Při deformování tělesa působí také síly mezi částicemi tělesa – síly pružnosti (ty zabraňují tělesu, aby se neustále deformovalo). Pokud jsou síly pružnosti stejně velké jako deformační síly, pak je těleso v rovnovážném stavu – dále se nedeformuje, ale je ve stavu napjatosti.
Normálové napětí:
Hookův zákon pro pružnou deformaci
– relativní prodloužení (prodloužení na jeden metr) – l1 je původní délka.
, kde E je modul pružnosti v tahu.
Mez pružnosti: je největší hodnota normálového napětí, při kterém je deformace tahem ještě pružná.
Mez pevnosti: – po jejím překročení dojde k porušení soudržnosti materiálu.
Dovolené napětí: maximální přípustná hodnota normálového napětí při deformaci tahem v praxi:
Součinitel bezpečnosti: (pro kovy 4–8, kámen 10)

21.5 TEPLOTNÍ ROZTAŽNOST
Délková teplotní roztažnost: , kde  je teplotní součinitel délkové roztažnosti.
Objemová teplotní roztažnost: , kde  je asi 3 – teplotní objemový součinitel roztažnosti.
Využití u bimetalového pásku. V praxi u mostních konstrukcí je alespoň jedna strana na ocelových válcích, aby se při prodlužování a zkracování mohla posunovat. Mezi potrubí se vkládají pružná kolena, při napínání drátů je třeba počítat se zkrácením při snížení teploty.

22 STRUKTURA A VLASTNOSTI KAPALIN

22.1 STRUKTURA
Uspořádání částic je krátkodosahové (podobné jako u amorfních látek). Molekuly kapaliny kmitají kolem rovnovážných poloh a po velmi krátké době (řádově ns) se přesouvají do nové rovnovážné polohy. Při zvyšování teploty se tato doba zkracuje (při vyšší teplotě je lepší tekutost). Vzdálenosti mezi molekulami jsou řádově desetiny nm.

22.2 POVRCHOVÁ VRSTVA KAPALIN
Sféra vzájemného působení molekul je myšlená koule, jejíž poloměr je roven největší vzdálenosti, na kterou na sebe částice ještě působí silami.
U molekul, které jsou uvnitř kapaliny je výslednice sil nulová.
U molekul, jejichž vzdálenost od volného povrchu kapaliny je menší než poloměr sféry vzájemného působení, působí výslednice směrem dovnitř kapaliny. Vrstva těchto molekul se nazývá povrchová vrstva.

Při přesunu molekuly z vnitřku kapaliny do povrchové vrstvy musíme vykonat práci, která se přemění na povrchovou energii. Částice v povrchové vrstvě tedy mají větší energii.
Kapalina má snahu nabývat takového tvaru, aby její povrch měl nejmenší obsah. Povrch kapaliny se chová jako blána a unese na sobě lehká tělesa. Síla působící v povrchu kapaliny se nazývá povrchová síla.

Blána z mýdlového roztoku (2 povrchy) v rámečku s jednou stranou pohyblivou má snahu zaujmout minimální povrch. Když tuto sílu vyrovnáme zavěšením závažíčka, platí .
Povrchová energie:
, kde  je povrchové napětí.
Povrchové napětí: , s rostoucí teplotou povrchové napětí klesá.

22.3 JEVY NA ROZHRANÍ PEVNÉHO TĚLESA A KAPALINY
Kapalina v nádobě vytváří buď dutý povrch (voda ve skleněné nádobě – smáčí stěny nádoby) nebo vypuklý povrch (rtuť ve skleněné nádobě – nesmáčí stěny nádoby). Tento jev je důsledkem silového působení molekul nádoby na molekuly kapaliny.
Stykový úhel (théta) je při dutém povrchu od 0° do 90°, při vypuklém je od 90° do 180°.

22.4 KAPILÁRNÍ TLAK
Kapilární tlak: – R je poloměr kapiláry – je způsoben zakřivením povrchu kapaliny u stěn nádoby. Pro dva povrchy (např. bublina) platí .
Kapilarita: – u kapalin smáčejících stěny kapiláry je kapalina výš než povrch kapaliny (kapilární elevace), u kapalin nesmáčejících stěny kapiláry je tomu naopak (kapilární deprese). Kapilární elevace – cévy rostlin, knot s petrolejem.

22.5 TEPLOTNÍ OBJEMOVÁ ROZTAŽNOST KAPALIN
, kde  je součinitel objemové roztažnosti kapaliny (ta je větší než u pevných látek).
Při větších teplotních rozdílech platí:
Vyjímkou je voda v teplotním rozmezí od 0°C do 3,98°C, kde s rostoucí teplotou její objem klesá. To je důležité pro přežití vodních živočichů.
Změny hustoty:
Po úpravách