ГЛАВА 34. ДЕФОРМАЦИЯ ТЕЛ

§ 253. Упругие свойства

У любого твердого тела существует предельное напряжение, вплоть до которого это тело испытывает только упругие деформации. Это значит, что после снятия напряжения, меньшего предела упругости, тело возвращается в исходное состояние.

Упругие деформации, как и вообще любые деформации, связаны с перемещениями атомов (молекул). Если тело упруго растягивается, то межатомные расстояния возрастают; при сжатии атомы сближаются.

Особенностью упругой деформации является то, что она не нарушает межатомных связей и не создает новых.

При упругой деформации кристалла все атомы сохраняют своих соседей. Например, при упругом сдвиге скашивается вся решетка кристалла как целое. При этом каждый атом не меняет своего окружения. Это обстоятельство и обеспечивает возвращение в равновесное состояние после снятия внешней силы.

Изменение межатомных расстояний, которого можно достигнуть при упругом растяжении (сжатии), очень невелико. Предельное относительные удлинения упругого характера, как правило, не превосходят 0,001. Это значит, что при межатомных расстояниях порядка 2 А удается сдвинуть положения равновесия атомов на величину не более 0,002 А. Такие изменения периода решетки хотя и невелики, но могут быть обнаружены методами рентгеновского анализа по сдвигу дифракционных линий на рентгенограммах. Для обнаружения эффекта прибегают к съемке линий с большими углами так как (см, стр. 356) только при таком условии могут быть обнаружены малые изменения в межплоскостных расстояниях.

Совсем иной характер носит упругая деформация полимеров, в том числе каучука и резины. Механические свойства каучука коренным образом отличаются от свойств кристаллических веществ. Основное различие лежит в величине упругого удлинения. Каучуки некоторых сортов могут быть растянуты в 10—15 раз без перехода предела упругости. Различие более чем в 10 000 раз по сравнению с металлом говорит само за себя. Не менее разительной является величина модуля упругости у каучука. Если стальная проволока сечением растягивается под действием груза в на одну двадцатитысячную долю длины, то каучуковая нить такого же сечения растянется в два раза.

При растяжении полимеров происходят два процесса. Во-первых, спутанные пачки молекул разворачиваются. Одновременно с этим происходит аккуратная упаковка некоторых участков развернувшихся пачек цепей в трехмерном порядке. Сам факт кристаллизации при растяжении играет, видимо, второстепенную роль, так

как при устранении внешнего воздействия новые упорядоченные области не закрепляются, а исчезают и пачки молекул сворачиваются.

Процесс свертывания пачек молекул — явление, идущее с возрастанием энтропии (увеличивается степень беспорядка). Оказывается, что внутренняя энергия при упругой деформации каучука и ему подобных полимеров практически не меняется. Поэтому работа растяжения, равная, согласно основным законам термодинамики, в этом случае равна просто — т. е. прямо пропорциональна температуре. (Напоминаем, что работу внешних сил над системой мы считаем отрицательной.) В этом отношении упругая деформация каучука имеет ту же природу, что изотермическое сжатие газа (ср. стр. 155).

Что же касается общности между упругими деформациями кристалла и каучука, то оба процесса не приводят тело в новый минимум потенциальной энергии. В случае кристалла этого не происходит по той причине, что мы не выходим из той же потенциальной ямы, а в случае каучука — потому, что мы вообще не меняем энергии.