Стекло аморфное или нет?

Как и многие люди, я думал, что стекло - это аморфное состояние материала. Но на счёт этого всё ещё ведутся споры. А так как я изучал физику твердого тела, нам рассказывали, что у стекла есть предпосылки не быть аморфным материалом. Сейчас поясню.

Что такое аморфное состояние? Это состояние вещества, где есть ближний порядок расположения атомов, т.е. одинаковое расстояние между атомами наблюдается только вблизи одного конкретного атома. Проще говоря, атомы расположены хаотично и расстояние между ними неодинаково, нет закономерностей их расположения во всем материале. По сути это жидкость, только твердая.

В твердом теле характерно закономерное расположение атомов во всем материале, окружение атома транслируется на дальние расстояния, есть периодичность их расположения в определенном порядке, что и называется кристаллической решеткой. То есть у атома есть определенные соседи, и такие атомы с такими соседями периодически повторяются. Это называется дальний порядок и твердые тела - единственные представители дальнего порядка.

Что такое стекло? Стекло это тоже представитель ближнего порядка, но у него есть отличие от аморфного тела.
Для начала поймём, как получается аморфное тело. Как мы уже сказали это по своей сути жидкость, только твердая. Вот и получается она из жидкости, которую надо охладить очень быстро, так, чтобы не успел образоваться дальний порядок, или кристаллы. То есть мы как бы фиксируем жидкое состояние но уже в твердом теле, быстрым охлаждением расплава. Стекло получается также быстрым охлаждением расплавленного песка.

Аморфными часто бывают металлы, как раз когда расплав, например, льется и очень быстро охлаждается. Но у аморфных веществ есть одна особенность - при нагревании они склонны образовывать дальний порядок и переходить в твердое состояние, т.е. кристаллизоваться. Оно и не удивительно, ведь аморфное состояние - метастабильное, и оно не обладает минимальной энергией. А так как все в природе стремится к минимуму энергии, аморфные тела при низкой температуре хотят быть твёрдыми, как и суждено по логике вещей. И поэтому, стоит их немного подогреть, придав подвижности атомам, они сразу же захотят упорядочиться и выстроиться в кристаллическую решетку и забыть о том нестабильном состоянии в которое мы их искусственно вогнали. Это называется процесс кристаллизации аморфных тел. Причем этот процесс необратим, при охлаждении кристаллизовавшееся аморфное вещество останется кристаллическом состоянии.

Стекла обладают несколько другими свойствами. Для стекол наличие ближнего порядка не является нестабильным состоянием, к тому же стекла - это как правило молекулярные вещества с определенными химическими связями, и там атомы не совсем могут двигаться как захотят. Поэтому в таком состоянии им пребывать не так уж и не нравится. Исходя из этого, при нагревании стекол не происходит их кристаллизации и образования дальнего порядка как в аморфных телах. Стекла становятся более текучими при нагревании, а при возврате температуры обратно - снова становятся вязкими и твердыми, но ближний порядок сохраняется. То есть нагрев-охлаждение стекол - обратимый процесс, можно сколько угодно туда-сюда нагревать, а стекло будет сохранять свое состояние, меняя лишь свою вязкость что говорит о том, что данное состояние для них является почти стабильным.

Яркими примерами веществ, находящихся в состоянии стекла, помимо самих стекол из песка, являются различные полимеры. Они высокомолекулярные, обладают ближним порядком и становятся текучими при нагревании.

Ставь свою реакцию, если понравился пост и ты узнал что-то новое, чего не знал раньше. А я уверен, что об этих различиях стекол и аморфных тел знают далеко не многие.

Кстати, природные стекла тоже существуют, и я думаю, вы догадались где. В вулканических породах, где жидкая раскаленная магма (лава) когда-то, соприкоснулась с холодным воздухом и, не успев кристаллизоваться, стала стеклом. Вулканический камень, именно в таком состоянии и находится. А лава, кстати, состоит в большей степени из разных силикатных пород, то есть практически из диоксида кремния, песка в простонародье, который как раз и становится стеклом при определённых условиях. Вот такие дела.

Инстаграм напомнил, что сегодня я уже год как кандидат наук) документально, конечно, меньше, но все же. Время летит с неимоверной скоростью, помню как сильно ждал этого момента и долго шел к нему. Но без людей вокруг это было бы невозможно. Всегда есть кто-то за кадром, кто помогает.

С этими мыслями связана одна история. Два года назад выкладывал публикацию с провокационным названием "есть ли толк от женщин в науке", где описывал достижения наиболее яркой в истории науки женщины Марии Кюри. Это первая женщина , получившая Нобелевскую премию и первый, в принципе, человек, получивший Нобелевскую премию два раза (по химии и по физике). И мне в комментариях написал человек, что мол Мария Кюри ничего не сделала, за нее сделал все муж и она не достойна премии. Не знаю, откуда человек взял эту информацию, может, у кого-то есть ссылки. Но, отсылаясь к предыдущему посту, скажу ещё раз: все, чего достигает человек, так или иначе происходит благодаря людям вокруг него и стечению обстоятельств. И это не значит, что он чего-то там не достоин.

С прошедшим праздником, дорогие женщины и девушки!

Авария на АЭС Фукусима-1. Ч.1.

В этот день 11 марта 2011 года произошла третья крупнейшая авария на атомной станции за всю историю развития отрасли, унесшая, пусть не столь много жизней по сравнению с Чернобылем, но, как минимум, изменившая жизни тысячи людей. По масштабности радиационного заражения она оказалась примерно в 5 раз меньше заражения после Чернобыльской аварии. Отчасти причина этому в четкости и дисциплинированности действий людей в тот момент, видимо, серьезно относившихся к своей работе и наученных на ошибках трагедии 1986 года.

На лекции нам рассказывали выжимки из толстого томика отчёта МАГАТЭ по этой аварии. И надо сказать, что японцы молодцы. Они делали все, что в их силах и в каждый момент им чуть-чуть не хватало времени, чтобы предотвратить аварию. Но стихия оказалась сильнее.

Причиной аварии послужило сильнейшее в истории Японии землетрясение, повлекшее за собой несколько волн цунами. Утром 11 марта после сильных подземных толчков реактор аварийно остановился, а также была разрушена инфраструктура внешнего электроснабжения станции. А чтобы топливо в реакторе, находящееся под высокой температурой безопасно остыло, нужно было электричество. Включились аварийные дизельные генераторы, находящиеся в подвале. И все вроде стало нормально.

Но вскоре стали приходить волны цунами, от которых привыкшие японцы защитили станцию дамбой, и в принципе подняли станцию на достаточную высоту. Но никто не ожидал, что цунами придет настолько сильный, что просто накроет эту дамбу вместе с территорией станции. В тот момент и землетрясение и цунами оказались сильнее, чем предсказывали сейсмологи.

Ну и, конечно же, аварийные генераторы затопило. Реактор снова оказался без электроснабжения.

Не буду здесь подробно описывать действия людей и технические моменты устройства станции, но как я уже сказал, они изо всех сил старались не допустить взрыва. Но не получилось. Далее опишу физику аварии

STOLBOV STUDY

Авария на АЭС Фукусима-1. Ч.2.

Предыдущая часть.

Вскоре по стечению ряда обстоятельств охлаждающая вода из реактора стала уходить, и тепло снимать с топлива было нечем. Температура в реакторе начала расти. Параллельно уходящая вода также и испарялась. А, так как оболочки, содержащие делящиеся элементы (уран), сделаны из циркония, при достижении 861 градуса произошла пароциркониевая реакция - бурная реакция пара с цирконием, при которой образуется огромное количество энергии, а также водород.

А ещё мы знаем, что водород - страшный газ, но страшный он не сам по себе, а когда смешивается с кислородом, или воздухом, в котором кислород содержится. Смесь кислорода и водорода называется гремучей смесью, которая очень взрывоопасна. Именно такая смесь и образовалась в реакторе. Когда температура достигла высоких значений, делящееся топливо стало плавиться, выпуская наружу все продукты деления. А потом, когда давление гремучей смеси внутри реактора стало критическим, он просто взорвался, выпустив в атмосферу всю радиоактивную грязь.

Ещё раз схема кратко: землетрясение - обесточивание реактора и включение аварийных генераторов - цунами - затопление аварийных генераторов - потеря теплоносителя (воды) - рост температуры топлива - пароциркониевая реакция и образование водорода - водород смешался с воздухом, образовалась гремучая смесь - активная зона плавится, обнажая радиоактивные продукты деления урана - растет давление гремучей смеси внутри - взрыв и выход радиоактивности в атмосферу.

Это стандартный сценарий тяжёлых аварий на АЭС с потерей теплоносителя, где применяются конструкционные материалы из циркония, то есть, почти везде. В ядерных кругах это называется LOCA (Loss Of Coolant Accident).

Авария на Фукусиме кардинально развернула вектор развития современной науки, и дала толчок к поиску новых материалов активной зоны реактора, устойчивых к перегревам и различным нежелательным химическим реакциям при потере теплоносителя. Появилось направление разработки толерантного (устойчивого) к аварии топлива или ATF (Accident Tolerant Fuel), которое до сих пор развивается во всем мире. Даже я в своей диссертации внёс в это направление, пусть крохотный, но вклад.

А японцы по прогнозам лет через 40 полностью ликвидируют последствия аварии и снова будут жить в этом районе. Может раньше, может позже. Но как всегда, все правила безопасности, пишутся кровью. Видимо по другому никак.

STOLBOV STUDY

Всем привет. Сейчас много работы и забот. Серьезные публикации напишу немного позже. А пока снова проведем викторину.

Ответить правильно здесь легко, попробуйте в комментариях объяснить, почему

Итак, ответ на первый вопрос - конечно же, влажная доска кажется нам холоднее, хотя температура у сухой и влажной одинакова. Все потому, что сухая доска состоит из дерева и воздуха, а влажная - из дерева и воды. Как известно, теплопроводность воды больше, чем у воздуха. Поэтому тепло от нашей руки при прикосновении быстрее переходит к влажной доске, чем к сухой, и она нам кажется холоднее.

На второй вопрос ответ - пар обжигает сильнее при одинаковой с водой температурой. Все потому, что водяной пар при контакте с кожей конденсируется и превращается в воду той же температуры, которая затем охлаждается. Так вот при конденсации пара (как и при других фазовых переходах) выделяется количество теплоты гораздо большее, чем при охлаждении горячей воды. Примерно в 50-100 раз при одинаковой массе. Плюс ещё образовавшейся воде надо при охлаждении сбросить тепло на руку. А если просто поливать на себя горячей водой, то тепла будет выделяться меньше, так как не происходит конденсации, а только охлаждение, и будет менее горячо. Хотя, приятного мало, конечно, лучше не обжигаться.

Обратите внимание, что я говорю о том, что холодно нам, потому что тепло от нас уходит к более холодному телу, а горячо - когда тепло приходит к нам от более горячего тела. Таким образом, одна из интерпретаций второго закона термодинамики (школьная) звучит так: тепло переходит только от более нагретого тела к менее нагретому. И никак не наоборот. Перенос холода от тела к телу - формулировка не верная. Понятия "холод" в термодинамики нет, есть только теплота. Всегда руководствуемся описанным выше законом.

В целом, все молодцы, большинство ответило правильно, и некоторые даже в объяснениях мыслили в верных направлениях.

Посмотрите, какую милоту я нашел. Это очень круто и доходчиво. Квантовая физика для детей. Может кому-то из вас пригодится. Продается и печатная версия, такая из толстых картонных листов как книги для самых маленьких.

Схематическое изображение пьезоэффекта титаната свинца. Растяжение кристаллической решетки и возникновение полюсов "+" и "-" (диполя)

Что заставляет зажигалку получать искру?

Сегодня поговорим о таком явлении, как пьезоэлектрический эффект. С ним встречался в жизни каждый, когда щёлкал зажигалку или включал газовую плиту искрой. Никогда не задумывались, откуда эта искра берется без электричества?

Пьезоэлектрический эффект - это возникновение электрического напряжения в твердом теле при его деформации. И это твердое тело, обычно, не является проводником. Обычно это диэлектрики со сложной кристаллической решеткой, например, титанат бария (BaTiO3). Как же так получается?

Все мы знаем из школьного курса физики, как ведёт себя диэлектрик в электрическом поле. Если не знаете - скажу - он поляризуется. Т.е. он делится на области, у которых есть с одной стороны положительный, а с другой - отрицательный заряд. Они называются диполями. И в электрическом поле эти диполи поворачиваются параллельно ему. Что-то похожее происходит в пьезоэлектрике при его деформации.

Кристаллическая решетка пьезоэлектрика состоит из положительных и отрицательных частиц - ионов, расположенных в определенных местах (в узлах решетки или между ними). Такая решетка, как правило, не имеет центра симметрии, однако расстояние между разноименными зарядами таково, что в целом кристалл остаётся нейтральным. Если эту решетку начать деформировать (растягивать или сжимать) в каком-то из направлений, то расстояние между одними ионами увеличится, а между другими - уменьшится. Произойдет нарушение симметрии зарядов, таким образом в одном месте кристалла возникнет избыток положительных, а в другом - избыток отрицательных зарядов. То есть одна часть станет положительно, а другая - отрицательно заряженной, а между сторонами кристалла возникнет разность потенциалов, т.е. электрическое напряжение.

В пьезозажигалке при нажатии на кнопку происходит удар по пьезоэлементу, который кратковременно деформируется, и возникшее на долю секунды напряжение в нем, выдает искру. Ну а при воздействии горящего газа и кислорода мы получаем пламя. Вот так все просто.

Пьезоэффект нашел себе применение во многих отраслях, помимо зажигалок, везде, где используется преобразование механической энергии в электрическую и наоборот. Ведь обратный пьезоэффект также существует, когда при приложении напряжения к кристаллу, он изменяет свою форму. В основном по прямому пьезоэффекту работают различные датчики, где нужно измерять какую-то механическую силу, в микрофонах, звукоснимателях, и т.д. Обратный пьезоэффект используется в различных излучателей акустических волн, в том числе ультразвуковых. Даже обычный испаритель воздуха работает на основе этого явления (как, кстати?).

В нашей работе есть направление метода акустической эмиссии. Это когда мы подсоединяем к металлу пьезодатчик и смотрим, как он реагирует на различные процессы, происходящие в металле, ведь металл лучше всего проводит звуковые волны. Так можно с помощью этого метода слышать, распространение хрупкой трещины до того, как ее становится видно.

Вот такое вот полезное открытие совершили братья Кюри в свое время.

Как работает увлажнитель воздуха?

А вот и ещё один представитель пьезоэлектрического эффекта, с которым мы сталкиваемся в быту. Речь пойдет об ультразвуковом увлажнителе воздуха, который для дома используется чаще всего. Процесс гениально прост.

Мы все привыкли, что пар образуется, когда вода закипает. Но испарение, на самом деле, происходит медленно и почти постоянно с поверхности жидкости, а кипение - это интенсивное испарение при нагреве. Интенсивное испарение можно вызвать не только нагревом воды, можно ещё испарять холодную воду. На помощь, как раз приходит пьезоэлемент.

Современные испарители работают следующим образом: в них установлена пьезоэлектрическая мембрана, на которую подаётся переменное напряжение, и она под действием обратного пьезоэффекта начинает деформироваться (выгибаться) то в одну сторону, то в другую. Возникают колебания этой мембраны, частота которых близка к частоте ультразвуковых волн. То есть капли механически вырываются ульразвуковыми колебаниями. Такая частота волны позволяет оторвать мелкие капли воды с поверхности и, тем самым, превратить их в пар. Таким образом, образуется холодный пар, который в дальнейшем при помощи вентилятора поднимается вверх и выходит в комнату. И правда, ведь, если вы поднесете руку к испарителю, вы не обожжетесь, и пар будет холодный. Попробуйте.

Вот такое вот нехитрое изобретение ворвалось в нашу повседневную жизнь.

Здесь на картинке изображены основные компоненты увлажнителя, в том числе и пьезомембрана.

Эбонитовая палочка, расческа и прочее.

Продолжаем говорить об электричестве, и на этот раз у нас более простое и повседневное, знакомое всем с детства явление - электризация тел при их трении друг о друга. И называется это трибоэлектрическим эффектом.

Все знают, что при трении эбонитовой палочки о шерсть или стекла о шелк эти тела заряжаются. Более продвинутые знают даже, каким знаком. Ещё меньше людей могут ответить, почему тела при трении заряжаются, и уж точно, никто из детей и взрослых не скажет, почему именно стекло заряжается положительно, а эбонит отрицательно, не наоборот.

Сегодня попытаемся это выяснить, но сразу скажу, ответ на последний вопрос я сам не знал, и до конца даже не уверен, что нашел ответ.

Итак, при трении тел друг о друга происходит обмен электронами. Так как заряжаются в основном диэлектрики, обмен электронами у них при обычном соприкосновении затруднён, ведь у них, в отличие от металлов, нет свободных носителей заряда. Чтобы электроны перешли от одного диэлектрика к другому, надо приложить усилие и вырвать их из материала. Одним из таких способов является трение. К слову сказать, в зависимости от строения диэлектрика и типов связей в нем, теоретически, не только электроны могут переходить в другой материал. Но по большей части, это, всё-таки, они, так как оторвать их от атома проще, чем вырвать атом или молекулу из диэлектрика. Таким образом, при обмене зарядов, вызванным трением, один материал получает избыток положительных, а другой - избыток отрицательных зарядов.

В школьной физике рассматриваются только два варианта трения тел друг о друга: стекла о шелк и эбонитовой палочки о шерсть (или мех). Все ученики, а может даже и учителя, просто запоминают, что стекло при трении о шелк заряжается положительно, а шелк - отрицательно. В то же время при трении эбонита о шерсть (мех) эбонит заряжается отрицательно, а шерсть - положительно. Но никто нигде не может объяснить, почему это происходит именно так.

На самом деле, как я понял, вопрос передачи заряда между диэлектриками не такой уж и простой. Многие учёные экспериментально (!) строили шкалы, по которым можно определить, какой из материалов зарядится положительно. Одна из таких эмпирических шкал будет на рисунке далее. И, выбирая на шкале материалы, мы определяем положительно заряженным тот, который находится ближе к плюсу по шкале. Как видно, стекло находится выше шелка, отсюда и наш вывод. Но у других ученых шкалы отличались, и как прийти к одной теории - не понятно. К тому же на результат электризации при трении сильно влияют внешние условия (влажность, температура и т.д.). Как сопоставить экспериментальные школы разных учёных - непонятно. Но для объяснения школьнику, почему так, а не по-другому этого вполне достаточно.

Если углубляться далее, то на следующем рисунке показано вполне наглядное (для тех, кто немного в теме) изображение процесса передачи электронов от одного материала к другому при их контакте. Этот рисунок на языке энергии электронных оболочек показывает, что чем больше энергия электронного облака (более глубокая энергетическая яма на рисунке), тем охотнее электрон перейдет к атому с меньшей энергией электронного облака (менее глубокая яма), и они оба приобретут соответствующие заряды. Таким образом, существуют материалы, у которых проще оторвать электрон механически, из-за особенностей строения электронных оболочек их атомов (величины их энергии). И они, отдавая электроны будут заряжаться положительно.

Механизм отрыва электронов с оболочек определенных атомов в диэлектриках может быть очень сложным. Ведь строение у них совершенно разное, и, зачастую, аморфное. И если опустить подобные тонкости, то вышеописанная теория имеет место быть.

Так что же отвечать обывателям, которые, наверняка не очень понимают про электронные оболочки и их энергию? Отвечайте следующее: стекло более охотно отдает электроны при трении, чем эбонит, поэтому заряжается положительно. Есть шкала, по которой можно определить, что и как заряжается. Шкала экспериментальная. Все.