Номер 3, страница 141 - гдз по физике 8 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 5. Тепловые свойства газов, жидкостей и твёрдых тел. Параграф 34. Тепловое расширение твёрдых тел и жидкостей. Вопросы для самопроверки - номер 3, страница 141.

Условие.

3*. Сравните тепловое расширение монокристалла и поликристалла.

Решение.

Тепловое расширение монокристаллов и поликристаллов, состоящих из одного и того же вещества, существенно различается из-за их внутренней структуры. Основное различие заключается в анизотропии свойств монокристалла и изотропии свойств поликристалла на макроскопическом уровне.

Тепловое расширение монокристалла

Монокристалл представляет собой сплошное твердое тело с единой, непрерывной кристаллической решеткой. Из-за упорядоченного и неодинакового расположения атомов по разным направлениям (разные межатомные расстояния и силы связи), большинство физических свойств монокристалла, включая тепловое расширение, являются анизотропными. Это означает, что коэффициент теплового расширения ($ \alpha $) зависит от выбранного направления в кристалле. Например, в кристалле с гексагональной решеткой (как у цинка или кварца) расширение вдоль одной оси будет отличаться от расширения в плоскости, перпендикулярной этой оси. Таким образом, при нагревании монокристалл некубической сингонии изменяет свою форму, расширяясь по-разному в разных направлениях.

Тепловое расширение поликристалла

Поликристалл состоит из множества мелких, хаотично ориентированных монокристаллических зерен (кристаллитов), разделенных границами. Каждое отдельное зерно в поликристалле является анизотропным и расширяется при нагревании так же, как и соответствующий монокристалл. Однако, из-за случайной ориентации зерен в объеме материала, анизотропные эффекты отдельных кристаллитов усредняются. В результате на макроскопическом уровне поликристалл ведет себя как изотропное тело. Его тепловое расширение одинаково во всех направлениях, и его можно охарактеризовать одним усредненным коэффициентом теплового расширения. Важным следствием этого является возникновение внутренних микронапряжений на границах зерен, так как соседние, по-разному ориентированные зерна, стремятся расшириться по-разному, но связаны друг с другом.

Сравнение и выводы

Таким образом, можно выделить следующие ключевые отличия. Во-первых, по направленности расширения: монокристалл (за исключением кристаллов кубической системы) расширяется анизотропно, а поликристалл — макроскопически изотропно. Во-вторых, по изменению формы: при нагревании монокристалл некубической системы изменяет свою форму, в то время как поликристалл увеличивается в размерах гомотетично, сохраняя форму. В-третьих, по внутренним напряжениям: в поликристалле при изменении температуры возникают микронапряжения на границах зерен, чего не происходит в однородно нагреваемом свободном монокристалле.

Ответ: Главное отличие теплового расширения монокристалла от поликристалла заключается в том, что монокристаллы (кроме принадлежащих к кубической сингонии) расширяются анизотропно (по-разному в разных направлениях), в то время как поликристаллы, состоящие из хаотично ориентированных зерен, на макроуровне расширяются изотропно (одинаково во всех направлениях). Это усреднение анизотропии в поликристалле приводит к возникновению внутренних напряжений на границах зерен при нагреве.