ของแข็ง

กลศาสตร์ภาวะต่อเนื่อง

สมการนาเวียร์-สโตกส์ กฎ กฎการอนุรักษ์มวล กฎการอนุรักษ์โมเมนตัม กฎการอนุรักษ์พลังงาน Entropy Inequality กลศาสตร์ของแข็ง ของแข็ง · ความเค้น · การเปลี่ยนรูป · Finite strain theory · Infinitesimal strain theory · Elasticity · Linear elasticity · Plasticity · Viscoelasticity · กฎของฮุก · วิทยากระแส กลศาสตร์ของไหล ของไหล · สถิตยศาสตร์ของไหล พลศาสตร์ของไหล · ความหนืด · Newtonian fluids Non-Newtonian fluids แรงตึงผิว นักวิทยาศาสตร์ ไอแซก นิวตัน · จอร์จ สโตกส์ · Navier · Cauchy· โรเบิร์ต ฮุค · ดานีเอล แบร์นุลลี

ของแข็ง (อังกฤษ: Soild) เป็นสถานะหนึ่งในสี่ของสถานะพื้นฐานของสสาร (สถานะอื่นได้แก่ ของเหลว แก๊ส พลาสมา) ซึ่งมีลักษณะที่สามารถทนและต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงรูปร่วงหรือปริมาตร แตกต่างกับของเหลว วัตถุที่เป็นของแข็งไม่สามารถไหลได้และไม่เปลี่ยนแปลงรูปร่างและปริมาตรไปตามภาชนะที่บรรจุ อะตอมภายในโมเลกุลของของแข็งอยู่ชิดกันมากและมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคที่หนาแน่นกับอนุภาคอื่น ๆ

สาขาของฟิสิกส์มีสาขาหนึ่งที่มีเพื่อศึกษาของแข็งโดยเฉพาะ เรียกว่าฟิสิกส์ของแข็งและมันยังเป็นสาขาหลักของฟิสิกส์สสารอัดแน่น (ซึ่งจะมีการศึกษาเกี่ยวกับของเหลวรวมอยู่ด้วย)

ของแข็งที่มีความหนาแน่นน้อยที่สุดในโลกคือ ซิลิกานาโนโฟม (silica nanofoam) มีความหนาแน่นประมาณ 1 มิลลิกรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ซึ่งน้อยกว่าความหนาแน่นของอากาศ เป็นผลิตภัณฑ์ของแอโรเจล (aerogel) ที่ดูดอากาศออก

1. สมบัติของของแข็ง

โดยทั่วไปของแข็งมีคุณสมบัติดังนี้

1. ปริมาตรคงที่ไม่ขึ้นอยู่กับขนาดภาชนะที่บรรจุ

2. มีรูปร่างคงที่ไม่เปลี่ยนแปลงตามรูปร่างของภาชนะ

3. มีอนุภาคอยู่ชิดติดกันอย่างมีระเบียบ

4. สามารถระเหิดได้ 2. การจัดเรียงอนุภาคของของแข็ง

ธาตุต่างๆ บางชนิดในธรรมชาติจะมีการจัดเรียงตัวของอะตอมในรูปของโมเลกุลได้หลายรูปแบบ เราเรียกว่าอัญรูป (allotrope) ของธาตุเช่นกำมะถันมีโครงสร้างผลึกเป็นรอมบิก(rhombic) และมอนอคลินิก(monoclinic)การที่สารสามารถเปลี่ยนโครงสร้างจากแบบหนึ่งไปอีกแบบหนึ่งได้ภายใต้ภาวะอุณหภูมิ และความดันค่าหนึ่ง เราเรียกอุณหภูมินี้ว่า จุดแทรนซิชัน (transition point)

3. ชนิดของผลึก

ผลึกของของแข็ง แบ่งเป็น 4 ชนิด คือ

1. ผลึกโมเลกุล (Molecular crystal) อนุภาคของผลึกประเภทนี้อาจเป็นอะตอมหรือโมเลกุล แรงดึงดูดระหว่างอนุภาคอาจเป็นแรงดึงดูดระหว่างขั้วของโมเลกุล หรือเป็นแรงแวนเดอร์วาลส์ ประเภทแรงลอนดอน เช่น แนฟทาลีน น้ำแข็งแห้ง สำหรับของแข็งที่เป็นโมเลกุลมีขั้วจะยึดด้วยแรงดึงดูดระหว่างขั้วหรือพันธะไฮโดรเจน ของแข็งที่เป็นผลึกโมเลกุลโดยส่วนใหญ่จะมีลักษณะค่อนข้างอ่อนหรือแข็งปานกลางมีจุดหลอมเหลวต่ำไม่นำไฟฟ้า ในกรณีของผลึกที่ประกอบด้วยโมเลกุลไม่มีขั้วบางชนิดจะเกิดการระเหิดได้ง่าย เช่น แนฟทาลีน

2. ผลึกโคเวเลนต์ร่างตาข่าย (Covalent crystal) อนุภาคของผลึกประเภทนี้จะเป็นอะตอม มีการยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะโคเวเลนต์ เช่น เพชร อะตอมองค์ประกอบแต่ละอะตอมจะยึดเหนี่ยวกับอะตอมข้างเคียงสีอะตอมด้วยพันธะโคเวเลนต์ที่แข็งแรง ผลึกประเภทนี้มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดที่สูงมาก มีความดันไอต่ำ และไม่ละลายตัวในสารละลายใดๆ มีความแข็ง แต่ความแข็งจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับการจัดเรียงตัวของอะตอมในโครงผลึกร่างตาข่าย ตัวอย่างที่พบบ่อยๆ คือ เพชร และแกรไฟต์

3. ผลึกโลหะ(Metallic crystal) ประกอบด้วยอะตอมที่ยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะโลหะที่แข็งแรงมาก อนุภาคของผลึกประเภทนี้จะเป็นไอออนบวกที่อยู่ท่ามกลางเวเลนต์อิเล็กตรอนแต่ละอิเล็กตตรอนเคื่อนที่ได้อย่างอิสระทั่วทั้งก้อนของโลหะผลึกประเภทนี้มีจุดเดือดและจุดหลอมเหลวสูง นำไฟฟ้าได้ดี ดึงให้เป็นแผ่นและตีเป็นเส้นได้ง่าย ตัวอย่าง โลหะโดยทั่วไป เช่น เหล็ก เงิน และทองคำ เป็นต้น อย่างไรก็ตามผลึกโลหะทั้งหมดอาจมีสมบัติไม่สอดคล้องทุกประการที่กล่าวมา เช่น ตะกั่ว ซึ่งนำไฟฟ้าได้ไม่ดี และผลึกโลหะบางชนิดที่มีลักษณะค่อนข้างอ่อน มีจุดเดือดและจุดหลอมเหลวต่ำ เช่น โพแทสเซียม โซเดียม

4. ผลึกไอออนิก (Ionic crystal) อนุภาคของผลึกประเภทนี้จะเป็นไอออนบวกและไอออนลบเรียงตัวสลับกันไปในลักษณะสามมิติ แข็งแต่เปราะ มีจุดหลอมเหลวแลจุดเดือดสูง ขณะเป็นของแข็งไม่นำไฟฟ้าแต่เมื่อหลอมเหลวหรืออยู่ในรูปสารละลายจะสามารถนำไฟฟ้าได้ ตัวอย่างที่พบบ่อยๆ ได้แก่ สารประกอบออกไซด์ของโลหะหมู่ 1 และหมู่ 2 เกลือเฮไลด์ของโลหะ

ของแข็งที่ไม่มีรูปผลึก เรียกว่า ของแข็งอสัณฐาน เช่น วัสดุที่ทำมาจากแก้ว ยาง หรือพลาสติก ซึ่งการจัดเรียงอนุภาคภายในไม่เป็นระเบียบ เมื่อแตกหักจะได้ชิ้นส่วนที่มีลักษณะไม่เป็นรูปทรงเรขาคณิต หรือเมื่อได้รับความร้อนปริมาณมากพอจะค่อยๆ อ่อนตัวกลายเป็นของเหลวและไหลได้ ของแข็งประเภทนี้ส่วนใหญ่ไม่สามารถหาจุดหลอมเหลวที่แน่นอนได้ แต่มีบางชนิด เช่น แก้ว เมื่อใช้อุปกรณ์ที่มีลักษณะเฉพาะจะสามารถหาจุดหลอมเหลวที่แน่นอนได้

4. การเปลี่ยนสถานะของของแข็ง

               1. การหลอมเหลว (melting)

เมื่อให้ความร้อนแก่ของแข็ง อนุภาคของของแข็งจะมีพลังงานจลน์เพิ่มขึ้น ทำให้อนุภาคมีการสั่นมากขึ้น และมีการถ่ายโอนพลังงานให้แก่อนุภาคข้างเคียงอย่างต่อเนื่อง จนกระทั่งบางอนุภาคของของแข็งมีพลังงานสูงกว่าแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาค อนุภาคของของแข็งจึงเริ่มเคลื่อนที่และอยู่ห่างกันมากขึ้น ของแข็งจึงเกิดการเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลว เรียกว่า การหลอมเหลว (melting) และเรียกอุณหภูมิในขณะที่ของแข็งเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลวที่ความดันหนึ่งบรรยากาศว่า จุดหลอมเหลว (melting point) เช่น การหลอมเหลวของน้ำแข็ง

               2. การระเหิด (Sublimation)

การระเหิดของสารเป็นการเปลี่ยนแปลงที่เกิดกับสารชนิดที่ไม่มีขั้วหรือมีขั้วน้อยมาก และมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาคเป็นแรงแวนเดอร์วาลส์ (Van der Waals forces) อย่างอ่อน เช่น แรงลอนดอน (London forces) เมื่ออนุภาคของสารได้รับความร้อนจากสิ่งแวดล้อมเพียงเล็กน้อย จะทำให้อนุภาคของสารนั้นแยกออกจากผลึก โดยเฉพาะอนุภาคที่อยู่บริเวณผิวหน้าของผลึกจะหลุดออกและเคลื่อนที่เป็นอิสระได้ง่าย เช่น การระเหิดของไอโอดีน การระเหิดของแนฟทาลีน การะบูร เมนทอล เป็นต้น หรือ การระเหิด (sublimation หรือ primary drying) คือปรากฏการณ์ที่สสารเปลี่ยนสถานะจากของแข็งกลายเป็นไอหรือก๊าซ ที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดหลอมเหลว โดยไม่ผ่านสถานะของเหลว

โมเลกุลของสารในสถานะของแข็งจะอยู่ชิดกันมาก ของแข็งจึงมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลสูงกว่าในสถานะของเหลว ทำให้ของแข็งมีรูปร่างและปริมาตรแน่นอน ไม่เปลี่ยนไปตามภาชนะที่บรรจุ โมเลกุลของของแข็งเคลื่อนที่ไม่ได้ แต่ก็มีการสั่นสะเทือนอยู่ตลอดเวลา