Φυσικές ιδιότητες των υλικών

Κάθε υλικό έχει τα δικά του χαρακτηριστικά γνωρίσματα, που λέγονται ιδιότητες του υλικού. Οι ιδιότητες του υλικού διακρίνονται σε φυσικές και χημικές.

Φυσικές ιδιότητες του υλικού είναι εκείνες που καθορίζονται από το ίδιο το υλικό καθαυτό και προσδιορίζονται χωρίς να αλλάξει η σύσταση των ουσιών που αποτελούν το υλικό σώμα.

Οι χημικές ιδιότητες περιγράφουν τα χαρακτηριστικά του υλικού όταν μετέχει σε χημικές μεταβολές. Για παράδειγμα η ιδιότητα του ξύλου να καίγεται είναι χημική, διότι κατά τη μεταβολή παράγονται νέες ουσίες.

Οι φυσικές ιδιότητες ενός υλικού είναι οι ακόλουθες: χρώμα, γεύση, οσμή, σκληρότητα, ελαστικότητα, ευθραυστότητα, πυκνότητα, ηλεκτρική αγωγιμότητα, θερμική αγωγιμότητα.

Φυσικές ιδιότητες που μπορούμε να αντιληφθούμε με τις αισθήσεις μας

Με τις αισθήσεις μας, μπορούμε να αντιληφθούμε τις εξής φυσικές ιδιότητες: το χρώμα, τη γεύση, την οσμή.

Με την όραση μπορούμε να αντιληφθούμε το χρώμα ενός υλικού. Το χρώμα μπορεί να είναι ένα από την τεράστια ποικιλία χρωμάτων που μπορεί να υπάρξει. Με τη γεύση μπορούμε να αντιληφθούμε τη γεύση ενός υλικού και συγκεκριμένα των τροφών. Η γεύση ενός υλικού μπορεί να είναι ευχάριστη π.χ. όπως τη γεύση του μελιού, ή δυσάρεστη π.χ. όπως τη γεύση του ξυδιού. Με την όσφρηση μπορούμε να αντιληφθούμε την οσμή ενός υλικού. Μπορεί να είναι ευχάριστη π.χ. όπως την οσμή ενός φρεσκομαγηρεμένου φαγητού ή δυσάρεστη π.χ. όπως την οσμή ενός χαλασμένου φαγητού.

Σκληρότητα ενός υλικού και η μέτρηση της

Από την καθημερινή ζωή γνωρίζουμε ότι με το νύχι μας μπορούμε να χαράξουμε το σαπούνι ή το κερί, που λέμε ότι έχουν μικρή σκληρότητα, αλλά δεν μπορούμε να χαράξουμε το μάρμαρο ή το σίδερο, που λέμε ότι έχουν μεγάλη σκληρότητα. Δίνουμε τον ακόλουθο ορισμό:

Η σκληρότητα ενός υλικού εκφράζει την ικανότητα του να χαράζει άλλα υλικά ή να χαράσσεται από άλλα υλικά.

Για την μέτρηση της σκληρότητας των υλικών, που γίνεται κυρίως στη γεωλογία για τη μέτρηση της σκληρότητας των ορυκτών, χρησιμοποιείται η εμπειρική σκληρομετρική κλίμακα Μος (Mohs). Σε αυτή την εμπειρική κλίμακα κάθε υλικό χαράζει τα προηγούμενα και χαράζεται από τα επόμενα.

Όπως βλέπουμε στον πίνακα, το υλικό με τη μέγιστη σκληρότητα είναι το διαμάντι που χαράζει όλα τα προηγούμενα και αντιστοιχεί στην τιμή 10, ενώ το υλικό με την ελάχιστη σκληρότητα είναι ο τάλκης που χαράζεται από όλα τα επόμενα και αντιστοιχεί στην τιμή 1.

Ελαστικότητα υλικού

Ασκούμε δύναμη και παραμορφώνουμε ένα υλικό σώμα. Αν το αφήσουμε ελεύθερο και αυτό επανέλθει στην αρχική του μορφή λέμε ότι το υλικό σώμα έχει ελαστικότητα. Δίνουμε τον ακόλουθο ορισμό:

Η ελαστικότητα ενός υλικού εκφράζει την ικανότητα του να επανέρχεται στην αρχική του μορφή έπειτα από μια παραμόρφωση.

Παράδειγμα. Τα ελαστικά των αυτοκινήτων κατασκευάζονται από συνθετικό καουτσούκ το οποίο μέσα έχει λεπτό ατσάλινο πλέγμα. Αυτά τα δύο υλικά χρησιμοποιούνται διότι αν παραμορφωθούν έπειτα επανέρχονται στην αρχική τους μορφή.

Ευθραυστότητα ενός υλικού

Κάποια υλικά έπειτα από κρούση ή παραμόρφωση θραύονται (σπάζουν) εύκολα και γι’ αυτό λέμε ότι αυτά τα υλικά έχουν μεγάλη ευθραυστότητα.

Με τον όρο ευθραυστότητα εννοούμε την ιδιότητα των υλικών να αντέχουν ή όχι σε καταποντίσεις που υφίσταται.

Η πυκνότητα ενός υλικού

Παίρνουμε δυο κύβους, ένα σιδερένιο κι ένα ξύλινο. Μετράμε τις μάζες τους και τις βρίσκουμε διαφορετικές, αν και έχουν τον ίδιο όγκο. Λέμε ότι ο σίδηρος και το ξύλο έχουν διαφορετική πυκνότητα.

Πυκνότητα είναι το φυσικό μέγεθος που εκφράζει την ποσότητα του υλικού που περιέχεται σε συγκεκριμένο όγκο του. Η πυκνότητα ορίζεται σαν το πηλίκο της μάζας m προς τον όγκο V που καταλαμβάνει.

Η μονάδα μέτρησης της πυκνότητας στο Διεθνές Σύστημα μονάδων είναι το Kg/m3.

Η πυκνότητα ενός υλικού είναι χαρακτηριστικό γνώρισμα του ίδιου του υλικού και είναι ανεξάρτητη από τη μάζα ή τον όγκο που μπορεί να έχει το υλικό αντικείμενο. Για παράδειγμα μια σιδερένια πόρτα και μια σιδερένια ράβδος έχουν την ίδια πυκνότητα διότι πρόκειται για το ίδιο υλικό ανεξάρτητα από τη μάζα και τον όγκο τους.

Η πυκνότητα ενός υλικού εξαρτάται από τις συνθήκες της θερμοκρασίας και της πίεσης που βρίσκεται. Έτσι σε ένα αέριο η μεταβολή της θερμοκρασίας ή της πίεσης του οδηγεί σε μεταβολή του όγκου και εφόσον η μάζα παραμένει σταθερή και έτσι έχουμε μεταβολή της πυκνότητας του.

Βύθιση υλικού σώματος στο νερό. Όλοι γνωρίζουμε ότι ένα σιδερένιο καρφί βυθίζεται στο νερό ενώ ο φελλός επιπλέει. Αυτό συμβαίνει διότι ο σίδηρος έχει μεγαλύτερη πυκνότητα από το νερό, ενώ ο φελλός μικρότερη. Κάνοντας κι άλλα πειράματα καταλήγουμε στο συμπέρασμα:

Όταν η πυκνότητα ενός σώματος είναι μεγαλύτερη από την πυκνότητα του νερού (ή άλλου υγρού) τότε βυθίζεται σ’ αυτό. Όταν η πυκνότητα ενός σώματος είναι μικρότερη από την πυκνότητα του νερού (ή άλλου υγρού) τότε επιπλέει σ’ αυτό.

Η ηλεκτρική αγωγιμότητα

Για τη μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιούνται καλώδια που είναι σύρματα από χαλκό μονωμένα με πλαστικό. Ο χαλκός όπως και τα άλλα μέταλλα επιτρέπουν από το σώμα τους την διέλευση του ηλεκτρικού φορτίου ενώ το πλαστικό όχι. Έτσι λέμε ότι ο χαλκός έχει μεγάλη ηλεκτρική αγωγιμότητα ενώ το πλαστικό μικρή ηλεκτρική αγωγιμότητα. Δίνουμε τον ακόλουθο ορισμό:

Ηλεκτρική αγωγιμότητα είναι η ιδιότητα ενός υλικού να επιτρέπει την διέλευση του ηλεκτρικού φορτίου από το εσωτερικό τους. Καλοί αγωγοί είναι τα σώματα που άγουν τον ηλεκτρισμό, δηλαδή έχουν μεγάλη ηλεκτρική αγωγιμότητα και κακοί αγωγοί είναι τα σώματα που δεν άγουν τον ηλεκτρισμοί δηλαδή έχουν μικρή ηλεκτρική αγωγιμότητα.

Θερμική αγωγιμότητα υλικού

Αν θερμάνουμε την μια άκρη μιας μεταλλικής ράβδου θα δούμε ότι η θερμότητα θα διαχυθεί στο σώμα της και θα μεταφερθεί και στο άλλο άκρο της. Το αντίθετο θα συμβεί για μια ξύλινη ράβδο που δεν διαχέει τη θερμότητα στο εσωτερικό της. Λέμε ότι η σιδερένια ράβδος έχει μεγάλη θερμική αγωγιμότητα ενώ η ξύλινη μικρή θερμική αγωγιμότητα.

Θερμική αγωγιμότητα είναι η ιδιότητα ενός υλικού να επιτρέπει τη μεταφορά της θερμότητας στο εσωτερικό του. Αν ένα υλικό επιτρέπει τη μεταφορά της θερμότητας από το εσωτερικό του λέγεται ότι είναι καλός αγωγός της θερμότητάς ενώ αν δεν την επιτρέπει λέγεται ότι είναι κακός αγωγός της θερμότητας.

Παραδείγματα: Τα σώματα του καλοριφέρ κατασκευάζονται από μέταλλο (σίδηρο) για να μπορούν να κατανέμουν ομοιόμορφα τη θερμότητα που έρχεται από το ζεστό νερό. Οι λαβές των μαγειρικών σκευών κατασκευάζονται από ξύλο η βακελίτη που έχουν μικρή θερμική αγωγιμότητα ώστε να μη μεταφέρεται η θερμότητα από τα σκεύη στα χέρια μας.