💎

Φυσικές Ιδιότητες των Υλικών

Σκληρότητα (κλίμακα Mohs), ελαστικότητα, ευθραυστότητα, πυκνότητα ρ = m/V, αγωγιμότητα

Γιατί η λαβή της κατσαρόλας είναι από ξύλο;

Γιατί το ξύλο δεν περνά εύκολα τη θερμότητα και δεν σε καίει. Για τον ίδιο λόγο τα καλώδια έχουν χαλκό μέσα και πλαστικό απέξω. Κάθε φορά που διαλέγουμε υλικό για μια χρήση, κοιτάμε τις φυσικές του ιδιότητες.

Φυσικές ιδιότητες

Κάθε υλικό έχει φυσικές ιδιότητες που τις αντιλαμβανόμαστε ή τις μετράμε: χρώμα, οσμή, γεύση, αλλά και σκληρότητα, ελαστικότητα, ευθραυστότητα, πυκνότητα, ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα.

Σκληρότητα

Σκληρότητα είναι η δυνατότητα ενός υλικού να χαράζει ή να χαράζεται από άλλα υλικά. Με το νύχι χαράζεις το κερί, όχι όμως το μάρμαρο.

Για τα ορυκτά χρησιμοποιούμε την κλίμακα Mohs (1 έως 10): 1 τάλκης, 2 γύψος, 3 ασβεστίτης, 4 φθορίτης, 5 απατίτης, 6 άστριος, 7 χαλαζίας, 8 τοπάζιο, 9 κορούνδιο, 10 διαμάντι. Κάθε ορυκτό χαράζει τα προηγούμενα και χαράζεται από τα επόμενα.

Γρήγορος έλεγχος

Ένα ορυκτό χαράζει τον φθορίτη (4) αλλά χαράζεται από τον άστριο (6). Ποια σκληρότητα μπορεί να έχει;

Ελαστικότητα και ευθραυστότητα

Ελαστικότητα: το υλικό επανέρχεται στο αρχικό του σχήμα μετά από παραμόρφωση. Καουτσούκ και ατσάλι είναι ελαστικά — γι' αυτό τα λάστιχα του αυτοκινήτου έχουν καουτσούκ με λεπτό ατσάλινο πλέγμα, και οι ουρανοξύστες ατσάλινο σκελετό.
Ευθραυστότητα: πόσο εύκολα σπάει ένα υλικό. Το γυάλινο ποτήρι σπάει όταν πέσει, το πλαστικό όχι: το γυαλί έχει μεγάλη ευθραυστότητα.

Προσοχή: σκληρό δεν σημαίνει άθραυστο — το γυαλί είναι σκληρό και εύθραυστο.

Πυκνότητα

Ο φελλός επιπλέει στο νερό, το καρφί βουλιάζει. Η διαφορά είναι η πυκνότητα: πόση μάζα περιέχεται σε ορισμένο όγκο του υλικού.

Υπολογίζεται από τη σχέση $\rho = \dfrac{m}{V}$ και συνήθως εκφράζεται σε $\text{g/cm}^3$ (ή $\text{g/mL}$ , αφού $1\ \text{mL} = 1\ \text{cm}^3$ ). Το νερό έχει $\rho = 1\ \text{g/cm}^3$ : ό,τι είναι λιγότερο πυκνό επιπλέει, ό,τι είναι πιο πυκνό βυθίζεται. Περισσότερα θα βρεις στη Φυσική της Α΄ Γυμνασίου.

Ενδεικτικές τιμές ( $\text{g/cm}^3$ ): φελλός $0{,}2$ , ξύλο περίπου $0{,}6$ , λάδι $0{,}92$ , νερό $1$ , αλουμίνιο $2{,}7$ , σίδηρος $7{,}9$ , μόλυβδος $11{,}3$ , υδράργυρος $13{,}6$ , χρυσός $19{,}3$ .

$\rho = \frac{m}{V} \qquad m = \rho \cdot V \qquad V = \frac{m}{\rho} \qquad 1\ \text{mL} = 1\ \text{cm}^3$

Ρίξε διαφορετικά υλικά στο νερό: όποιο έχει πυκνότητα μικρότερη από $1\ \text{g/cm}^3$ επιπλέει, όποιο έχει μεγαλύτερη βυθίζεται. Μάντεψε πριν το αφήσεις!

Αγωγιμότητα

Ηλεκτρική αγωγιμότητα: πόσο εύκολα περνά το ηλεκτρικό ρεύμα. Ο χαλκός έχει μεγάλη (καλώδια), το πλαστικό ελάχιστη (μόνωση).
Θερμική αγωγιμότητα: πόσο εύκολα περνά η θερμότητα. Τα μέταλλα έχουν μεγάλη (σώματα καλοριφέρ, κατσαρόλες), το ξύλο και ο βακελίτης μικρή (λαβές).

Κατά κανόνα, όποιο υλικό είναι κακός αγωγός του ηλεκτρισμού είναι και κακός αγωγός της θερμότητας, και αντίστροφα.

Ιδιότητες και χρήσεις

Αλουμίνιο — μικρή πυκνότητα → ελαφριά κράματα (αεροπλάνα).
Διαμάντι — μεγάλη σκληρότητα → κοπή τζαμιών.
Υδράργυρος — υγρός με μεγάλη πυκνότητα → παλιά θερμόμετρα και βαρόμετρα.
Μόλυβδος — μεγάλη πυκνότητα → βαρίδια για δίχτυα.
Χαλκός — μεγάλη ηλεκτρική αγωγιμότητα → καλώδια.
Καουτσούκ, ατσάλι — ελαστικότητα → λάστιχα αυτοκινήτου, σκελετοί κτιρίων.
Lexan (πλαστικό) — άθραυστο → αλεξίσφαιρα τζάμια.

Μέθοδος: υπολογισμοί με την πυκνότητα

Γράψε τα δεδομένα με τις μονάδες τους.
Φέρε τα σε ταιριαστές μονάδες: g με cm³ (ή mL). Θυμήσου $1\ \text{L} = 1000\ \text{mL} = 1000\ \text{cm}^3$ .
Διάλεξε τη μορφή: ζητείται πυκνότητα → $\rho = m/V$ · μάζα → $m = \rho V$ · όγκος → $V = m/\rho$ .
Έλεγχος λογικής: αν το υλικό βυθίζεται στο νερό, πρέπει $\rho > 1\ \text{g/cm}^3$ .

Παράδειγμα — ποιο μέταλλο είναι; Ένα μεταλλικό κομμάτι έχει μάζα $54\ \text{g}$ και όγκο $20\ \text{cm}^3$ .

Λύση: $\rho = \dfrac{m}{V} = \dfrac{54}{20} = 2{,}7\ \text{g/cm}^3$ .

Απάντηση: Από τις τιμές, $2{,}7\ \text{g/cm}^3$ έχει το αλουμίνιο. Αφού $2{,}7 > 1$ , βυθίζεται στο νερό.

Παράδειγμα — μάζα από πυκνότητα: Πόση μάζα έχει ένα μπουκάλι με $500\ \text{mL}$ ελαιόλαδο ( $\rho = 0{,}92\ \text{g/mL}$ );

Λύση: $m = \rho \cdot V = 0{,}92 \cdot 500 = 460\ \text{g}$ .

Απάντηση: $460\ \text{g}$ — λιγότερο από τα $500\ \text{g}$ που θα είχε ίσος όγκος νερού, γιατί το λάδι είναι λιγότερο πυκνό. Γι' αυτό επιπλέει στη σαλάτα.

Λυμένη άσκηση (τύπου διαγωνίσματος):

Δεδομένα: (α) Υλικά: γυαλί, κιμωλία, διαμάντι, κερί. (β) Υλικά: νερό ( $1$ ), ξύλο (περίπου $0{,}6$ ), σίδηρος ( $7{,}9$ ), λάδι ( $0{,}92$ ) σε $\text{g/cm}^3$ .

Ζητούμενο: (α) Κατάταξη κατά αυξανόμενη σκληρότητα. (β) Κατάταξη κατά αυξανόμενη πυκνότητα. (γ) Ποια από τα υλικά του (β) επιπλέουν στο νερό;

Λύση:

(α) Το κερί χαράζεται με το νύχι, η κιμωλία με ένα καρφί, το γυαλί χαράζεται μόνο από πολύ σκληρά υλικά και το διαμάντι είναι το σκληρότερο: κερί < κιμωλία < γυαλί < διαμάντι.

(β) ξύλο ( $0{,}6$ ) < λάδι ( $0{,}92$ ) < νερό ( $1$ ) < σίδηρος ( $7{,}9$ ).

(γ) Όσα έχουν $\rho < 1$ : το ξύλο και το λάδι.

Απάντηση: όπως παραπάνω.

Γρήγορος έλεγχος

Ένα γυάλινο κομμάτι έχει μάζα $30\ \text{g}$ και όγκο $12\ \text{cm}^3$ . Πόση είναι η πυκνότητά του;

Γρήγορος έλεγχος

Ποιο υλικό είναι το καταλληλότερο για τη λαβή μιας κατσαρόλας;

Γρήγορος έλεγχος

Ποιο από τα παρακάτω υλικά έχει τη μεγαλύτερη ευθραυστότητα;

Κόλπο μνήμης

Στο $\rho = \dfrac{m}{V}$ η Μάζα είναι πάνω και ο Όγκος κάτω — όπως στο αλφάβητο το Μ έρχεται πριν από το Ο. «Πόσα γραμμάρια χωράνε σε κάθε κυβικό εκατοστό».

Ήξερες ότι;

Ο θερμός αέρας έχει μικρότερη πυκνότητα από τον κρύο, γι' αυτό ανεβαίνει. Πάνω σε αυτό στηρίχτηκε η πρώτη επανδρωμένη πτήση στην ιστορία: ένα αερόστατο θερμού αέρα των αδελφών Montgolfier πέταξε πάνω από το Παρίσι το 1783. Την κλίμακα σκληρότητας την πρότεινε ο Γερμανός Friedrich Mohs το 1812.

Πρόκληση

Ένα δαχτυλίδι πωλείται ως «καθαρό χρυσό» και ζυγίζει $38{,}6\ \text{g}$ . Το βυθίζεις σε ογκομετρικό κύλινδρο και η στάθμη του νερού ανεβαίνει από $20{,}0$ σε $23{,}0\ \text{mL}$ . Ο χρυσός έχει $\rho = 19{,}3\ \text{g/cm}^3$ . Είναι καθαρό χρυσό;

Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση

Όγκος δαχτυλιδιού: $V = 23{,}0 - 20{,}0 = 3{,}0\ \text{cm}^3$ .

Πυκνότητα: $\rho = \dfrac{38{,}6}{3{,}0} \approx 12{,}9\ \text{g/cm}^3$ .

Αν ήταν καθαρό χρυσό, με μάζα $38{,}6\ \text{g}$ θα είχε όγκο μόνο $V = \dfrac{38{,}6}{19{,}3} = 2{,}0\ \text{cm}^3$ .

Απάντηση: Η πυκνότητα ( $12{,}9$ ) είναι πολύ μικρότερη από του χρυσού ( $19{,}3$ ): το δαχτυλίδι περιέχει και άλλα, ελαφρύτερα μέταλλα. Με παρόμοιο τρόπο, σύμφωνα με τον θρύλο, ο Αρχιμήδης έλεγξε το στέμμα του βασιλιά Ιέρωνα.

Συνηθισμένα λάθη

Ανάποδη διαίρεση $V/m$ . Η πυκνότητα είναι μάζα διά όγκο.
Ανακατεμένες μονάδες (L με g/cm³). Πρώτα μετατροπή: $1\ \text{L} = 1000\ \text{cm}^3$ .
Σκληρό = άθραυστο. Το γυαλί είναι σκληρό αλλά και εύθραυστο.
«Βαρύ σώμα βυθίζεται». Ένας μεγάλος κορμός δέντρου επιπλέει· αποφασίζει η πυκνότητα, όχι η μάζα.

Σύνοψη — τι κρατάμε

Φυσικές ιδιότητες: χρώμα, οσμή, γεύση, σκληρότητα, ελαστικότητα, ευθραυστότητα, πυκνότητα, αγωγιμότητα.
Κλίμακα Mohs 1–10 (τάλκης → διαμάντι): κάθε ορυκτό χαράζει τα προηγούμενα.
$\rho = \dfrac{m}{V}$ σε $\text{g/cm}^3$ · νερό $1\ \text{g/cm}^3$ · μικρότερη πυκνότητα → επιπλέει.
Καλός αγωγός ηλεκτρισμού ↔ καλός αγωγός θερμότητας (μέταλλα)· κακοί αγωγοί: ξύλο, πλαστικό.
Διαλέγουμε υλικό για μια χρήση με βάση τις ιδιότητές του.

Φυσικές ιδιότητες

Σκληρότητα