问题

为什么固体不容易变形?

回答
你这个问题问得挺好,也挺实在的。咱们平时接触的桌子、椅子、石头,甚至是咱们自己的骨头,它们看起来都挺“硬朗”,不像水那样可以随意流淌,也不像空气那样可以随便挤压。这背后其实有很多门道,涉及了物质最本质的结构。

咱们先从最根本的说起,也就是“原子”这个玩意儿。你能想象一下,所有我们摸得着、看得见的东西,最终都是由无数个非常非常小的原子组成的。这些原子就像积木一样,拼凑成了我们看到的万事万物。

1. 原子间的紧密排列和强大的吸引力

在固体里面,这些原子可不是随便乱站的。它们有一个非常规整、紧密的排列方式。你可以想象成一排排整齐码放的砖头,或者像一个个球紧密地堆积在一起。这种排列方式让原子之间几乎没有多余的空间。

更关键的是,原子之间存在着一股看不见摸不着的“拉力”,我们称之为化学键或者分子间作用力。这股力就像无数根细小的橡皮筋,把所有的原子都牢牢地绑在一起。这些力非常强大,它们会让原子处于一个相对固定的位置,相互牵扯,形成一个稳定的整体。

共价键: 就像大家分工合作,一起分享电子,形成非常牢固的键。比如钻石,里面的碳原子就是靠这种键连接的,所以钻石那么硬。
离子键: 就像有正有负的“小磁铁”,互相吸引。比如食盐(氯化钠),钠原子给了电子,氯原子拿了电子,它们就带着不同的电荷,互相吸引着。
金属键: 在金属里,电子就像在海里自由游动的鱼,而金属原子核就像漂浮在水上的浮标,它们也被这股“大海”的力量连接在一起。

正是因为这些强大的吸引力,原子们很难脱离自己的位置,也很难互相滑开。

2. 原子振动,而非自由移动

虽然固体里的原子被绑得死死的,但它们也不是完全静止不动的。它们会在自己固定的位置附近,像被绑住的小球一样,进行微小的、快速的振动。你可以想象一下,你拉着一根绳子,绳子的另一头绑着一个小球,你晃动绳子,小球就会在原地来回晃动。

在固体中,这些振动是由原子的内部能量决定的,比如温度。温度越高,原子的振动就越剧烈。但是,这种振动是局部的,是在原子本身的“小天地”里发生的,并不会导致整个原子跑掉或者和其他原子发生大规模的位移。

3. 抵抗变形的“内部抵抗力”

当你试图去推、去拉、去压一个固体时,你就等于在强迫这些原子改变它们的位置,或者强迫它们挤在一起。

受挤压(压缩): 当你用力压一个物体时,你是在试图让原子间的距离变得更近。但由于原子之间本身就靠得很近,而且有强大的排斥力(就像你试图把两个磁铁的同极靠得太近时,它们会互相推开),所以原子们会产生一个很大的抗压能力,不愿意被压缩。
受拉伸(拉伸): 当你试图把物体拉长时,你是在试图拉开原子之间的距离。这时候,原子之间的吸引力就开始发挥作用了,它们会“拽”着彼此,不愿意被拉开。
受剪切(错动): 当你试图让物体的一部分相对于另一部分滑动时,你是在破坏原子排列的规整性,强迫它们越过彼此的“围栏”。这时候,原子间的连接键就需要被打破,或者原子需要绕过彼此,这就需要消耗很大的能量。

这些“内部抵抗力”就体现在物质的弹性和塑性上。

弹性: 如果你施加的力不是太大,一旦你松开手,原子们又会回到原来的位置,物体就会恢复原状。这就好比你弯了一下尺子,然后松手它就直了。
塑性: 如果你施加的力非常大,大到能够克服原子间的强大吸引力,让原子发生永久性的滑移或者重排,那么物体就会发生永久变形,这就是我们说的“塑性变形”。比如你把铁丝弯折,它就会保持弯曲的形状。

4. 为什么固体“不易”变形?

“不易”变形,是因为原子间的吸引力足够强大,而且原子排列足够紧密,使得要打破这种联系、改变这种排列需要巨大的能量。

你可以类比一下,想象一群人手拉着手站成一个圈。如果是一个很松散的圈,一个人稍微用力就可以把圈子拉大或者挤小。但如果这群人是紧紧抱在一起,而且每个人都力大无穷,那么要让他们散开或者挤成一团,就需要非常大的外力。

总而言之,固体不容易变形,是原子间强大的吸引力、紧密的排列以及由此产生的巨大内聚力共同作用的结果。这些力量决定了固体在受到外力时,能够产生强大的抵抗力,维持其固有的形状和体积。当然,任何物体都不是绝对不可变的,当外力大到一定程度,足以克服原子间的束缚时,固体就会发生变形甚至破碎。

网友意见

user avatar

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

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。

类似的话题

本站所有内容均为互联网搜索引擎提供的公开搜索信息,本站不存储任何数据与内容,任何内容与数据均与本站无关,如有需要请联系相关搜索引擎包括但不限于百度google,bing,sogou

© 2025 tinynews.org All Rights Reserved. 百科问答小站 版权所有