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为什么固体不容易变形? 第1页

  

user avatar   yestreet 网友的相关建议: 
      

问题比较含糊,如果默认固液气三常态对比,中学知识大致够用,不在这里啰嗦。再想深入一些了解,就需要明白何谓固体、何谓变形、何谓容易了。

先说结论:

  1. 固体有有机无机之分和晶体非晶体之别,其变形机制十分不同;
  2. 变形有弹性变形和塑性变形成分,其变形规律大不一样;
  3. 变形方式及其变形难易有许多测试标准,随变形条件差别极大;
  4. 有些固体即便在自然环境和人力作用下也很容易变形;
  5. 有些固体只是在特定环境或特别力学条件下非常容易变形;
  6. 这两类固体都很多,并且常见(有些力学条件不常见);
  7. 没有必要和固体以外的物质状态做比较,否则将涉及宇宙万物;
  8. 不同固体间的变形难易可以相差千百万倍,不止;
  9. 同种固体不同形态、不同变形方式下的变形难易也相差很多很多,很多;
  10. 当然有的固体在保有其本性前提下,很难发生各种可察觉的变形;
  11. 暂不考虑自然科学层面以外的变形与难易,那样会涉及一切人类知识。
解释固体容易或不容易变形可以从很多宏观、亚微观、微观层面入手,但最好不要一下子就搬出原子分子模型,因为那样很容易说不清楚。比如两个固体原子之间的空间相对于原子核体积来说,实在是太大太大了,假如变形力的作用可以直接精确地触及到这个层面,人类还需要做很多很多事情,而不能靠几句话、几个公式或几个示意图。


什么是固体?(名称+物件,或者讨论的范围)

新冠病毒是不是?人体器官是不是?动物皮肤是不是?煮熟的热干面是不是?

是不是一定要不含水分的无机物才可以叫固体?请问哪里可以找到这样的固体定义?那么正在作画的油画颜料是不是固体?

是不是涵盖一切金属材料、无机非金属材料和高分子材料(及其复合材料)?

动植物是不是固体?还是只有干尸才算?

要不要考虑固体(物质、材料、制品)的品种、成分、形状、尺寸?

  • 以上只是影响固体变形难易的一些基本内因,远没有罗列完备,我们最好不讨论抽象的固体。

什么是变形?(动作+后果,或者讨论的主题)

变形方式包括但不限于:拉伸、压缩、挤出、弯曲、扭转、轧制、滚压、折叠、冲压、锻压、旋压、吹胀、等静压等等。正常儿童以上人类都知道,铁丝很容易弯折但不容易拉长或者缩短。

还有:和面、包饺子、拉面、捏糖人算不算变形操作?油画作画过程算不算颜料变形?被女朋友拧胳膊算不算?这是容易变形的例子。

打铁、轧钢、钣金肯定算吧?钻石加工就不算了吧?但是热等静压条件下,很多无机非金属材料也可以发生塑形变形,并且很容易;而绝大部分金属材料在低温下,很难变形。

变形的另一个维度是变形速率、变形量和变形率。对同一种固体来说,这三个变量并非随变形条件同步变化,由此导致对其变形难易的评价指标也各不相同。

  • 以上只是变形的基本内涵,也只是一些常规变形操作和评价指标,没有约定俗成的抽象变形。

什么是不容易?(条件+程度,或者讨论的结果)

难易也通常不是简单的形容词,或某种物质属性的标签,其内涵往往精确、严谨当然具体。

侧重手工变形吗?侧重弹性变形吗?侧重塑性变形吗?

侧重拉伸压缩吗?侧重挤压弯曲吗?侧重胀形等静压吗?

考虑温度作用吗?考虑化学介质影响吗?考虑电磁场干预吗?

限定变形速率或者变形程度吗?是否允许中途消除变形残余应力?

等等。

  • 固体变形的难易程度,有不同的评价标准和相应不同的测试方法。各行各业、不同固体、不同变形方式或变形条件下,这些标准和方法差别很大,最终结果大多数时候无法亦无需准确换算。

如何达成共识?(或者讨论的起点)

  • 我们谈论变形的时候,我们在谈什么?
  • 我们谈论固体的时候,我们在谈什么?
  • 我们谈论不容易的时候,我们在谈什么?
  • 我们在回答问题的时候,我们想干什么?
  • 我们在发问的时候,我们的目的是什么?

虽然现在出行不便,但也不应该自说自话。

亲爱的提问者,你究竟想了解什么?
如果你是中学生,以上文字请全部忘掉。

以后酌情继续解答。


user avatar   jiehou1993 网友的相关建议: 
      

抛开大力出奇迹的极端情况,固体的形状和体积确实不能轻易改变。而液体容易改变形状,但不能改变体积。气体则可以任意改变体积和形状。

简单来说,这是因为固体中的原子排列紧凑,原子的运动幅度小,原子基本上被“锁死”在固定位置。液体里的原子排列依然紧凑,但原子运动幅度大,可以四处流动。气体分子则没有具体的排列形式,可以几乎不受限制的到处运动。

典型的原子间相互作用如下图所示,横轴是两个原子之间的距离,纵轴是能量。原子受到的力,总是指向能量降低的方向。

因此,当原子A和原子B靠的太近时,AB之间互相排斥。而当A和B分开太远时,AB之间就变成相互吸引。

这么看,AB之间的距离应该稳定在曲线的最低点。但原子是处于不断的运动当中的,而原子运动的能量,则会让他们偏离曲线最低点。

这就好比你把一个弹珠放在锅里,然后来回晃动锅,弹珠也会在锅底附近来回晃动(说平底锅的泥奏凯)。而原子晃动的剧烈程度,从宏观上来看,就是温度。

通常情况下,能量-距离曲线并不对称,原子间相互靠近比较困难,分开却容易些。因此,当温度上升,原子运动的幅度增大,原子间的平均距离是增大的。

当温度低时,原子被紧紧束缚在能量最低点附近,只能做小幅度的振动,此时原子的排列是非常紧密的,例如一颗金属颗粒在原子尺度上看是这样的:

可以看到,固体中的原子都被“锁死”了。这一点体现在宏观上,就是固体不容易变形。

当温度逐渐升高,热振动开始部分的摆脱原子间的束缚,原子间的距离可以在较大的范围内波动。此时,原子不再被“锁死”在某个具体的位置,而是不规则的移动了起来。这个时候,固体就融化成了液体。

液体中的原子是可以到处流动的,但这个流动依然是有限制的,需要和周围的原子保持一定的距离,不能离得太远。宏观上看,就是液体能够变形,但不容易改变体积。

把液体继续加热,原子的运动幅度进一步增大,直到完全摆脱相互之间的束缚。这个时候液体就气化成了气体。

气体分子之间的距离通常较远,即使偶尔碰撞在一起,较大的动能也会让分子互相弹开。因此,气体分子可以几乎不受限制的移动。宏观上看,就是气体既能改变形状,也能改变体积。




  

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