Сжатие при нагреве: силы взаимодействия атомов сложны и ведут себя несимметрично

Наука и жизньНаука

Сжатие при нагреве — это нормально!

Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов

Ещё в начальной школе мы узнаём, что при нагревании тела расширяются, а при охлаждении сжимаются. О том, что так себя ведут газы, нам говорит закон Гей-Люссака. И это кажется очевидным, ведь при увеличении температуры скорость молекул и атомов возрастает, поэтому в газе и в жидкости они «расталкивают» соседей, занимая больше места. Для твёрдых тел картина несколько сложнее. Да, в них атомы тоже начинают колебаться вокруг своего среднего положения в кристаллической решётке с большей амплитудой, но одного этого недостаточно для расширения, ведь среднее положение определяется силами взаимодействия атомов, которые могли бы и не позволить его смещения. Однако увеличение теплового движения может вызывать различные трансформации кристаллической решётки, приводящие к изменению размеров тела, о которых речь пойдёт ниже.

Шарнирная деформация ячейки кристаллической решётки. При расширении ячейки в направлении A—B произойдёт её сжатие в направлении C—D.

А пока скажем о том, что силы взаимодействия атомов, обладающих положительно заряженным ядром и отрицательной электронной оболочкой, сложны и ведут себя несимметрично: силы отталкивания при сближении атомов растут быстрее, чем силы притяжения при их удалении. В результате при увеличении кинетической энергии атомов их средние положения смещаются и размер тела увеличивается. Это происходит тем значительнее, чем больше асимметрия.

В простейшем случае тело с линейным размером L при увеличении его температуры на ΔT расширяется на величину ΔL, равную:

где a — так называемый коэффициент линейного теплового расширения, связывающий изменения длины и температуры для данного материала.

Парадоксальное сжатие

Однако некоторые вещества при нагревании ведут себя удивительным образом — они сжимаются, а при охлаждении расширяются! Самый популярный пример — поведение воды в диапазоне температур от 0 до 4 градусов Цельсия при нормальном атмосферном давлении. При охлаждении до 4ºC (точнее до 3,984ºC) вода, как и положено, сжимается, а вот при дальнейшем охлаждении, вплоть до замерзания, она начинает расширяться. В настоящее время такое явление носит парадоксальное название «отрицательное тепловое расширение», ведь из-за разных знаков ∆T и ∆L коэффициент теплового расширения в этом случае будет отрицательным. Но до 1990-х годов было принято говорить об аномальном тепловом расширении.

Температурный шов — зазор между отдельными частями дорожного полотна — позволяет компенсировать тепловое расширение. Фото: Matt H. Wade/Wikimedia Commons/ CC BY-SA 3.0

Открыл это явление в 1823 году при нагревании кристаллов кальцита (СаСО3) немецкий химик Эйльхард Мичерлих, известный исследователь кислот и кристаллических структур. Позднее он также обнаружил, что некоторые виды кристаллов по-разному расширяются в различных направлениях. С тех пор долгое время отрицательное тепловое расширение считалось явлением редким и аномальным, к тому же непонятным. Однако со временем список веществ с подобным поведением рос, и в настоящее время их накопилось достаточно много, чтобы перестать считать такие материалы экзотикой. В определённых диапазонах температур отрицательным тепловым расширением обладают, например, висмут, галлий, германий, плутоний, сурьма, графен, оксиды меди и серебра и даже обычная резина. При сверхнизких температурах так ведут себя кварц, кремний и ряд других материалов, а при температурах ниже минус 200°C демонстрирует отрицательное расширение даже обычный лёд.

У некоторых веществ температурный диапазон отрицательного расширения невелик — так, у воды он всего 4 градуса, а вот, скажем, популярный у машиностроителей вольфрамат циркония (ZrW2О8) сжимается при нагревании от почти абсолютного нуля до 777°C, причём при более высоких температурах материал просто разлагается. Вплоть до 827°C сжимается фторид скандия (ScF3) с кубической решёткой. Достаточно широкий температурный интервал в сотни градусов у некоторых углепластиков.

Изменение кристаллической решётки при переходе из кубической в ромбоэдрическую фазу. Похожую картину можно наблюдать и при покачивании составляющих решётку полиэдров (многогранников). Рисунок (с изменениями) из статьи: Sanson A. On the switching between negative and positive thermal expansion in framework materials. Materials Research Letters, 2019, 7(10), 412—417.

Если в жидкостях и газах расширение и сжатие, за редким исключением, происходит изотропно, то есть одинаково во все стороны, то в твёрдых веществах такое поведение — достаточно редкое. Большинство кристаллов ведут себя анизотропно — поразному в различных направлениях. Поэтому на практике особенно ценны материалы с кубической кристаллической решёткой, такие как ZrW2О8 и HfV2О7 (Hf — гафний, V — ванадий), демонстрирующие изотропный эффект, упрощающий практическое применение явления. Кстати, именно открытие в 1996 году изотропного отрицательного теплового расширения в большом диапазоне температур кристаллов ZrW2О8 привело к резкому возрастанию исследований в этом направлении.

Как такое возможно?

Хотя отрицательное тепловое расширение — относительно редкое физическое явление, обнаруженное лишь у некоторых классов материалов, объяснить столь удивительное поведение различных веществ какимлибо одним механизмом не удаётся. Физики предложили несколько возможных вариантов.

Наиболее распространённая причина уменьшения объёма твёрдых тел при нагревании — изменение структуры кристаллической решётки при увеличении энергии атомов, в результате чего они упаковываются более плотно. Как правило, в этих случаях возрастание теплового движения атомов и молекул вызывает цепочку преобразований, при которых происходит повышение симметрии кристаллической решётки. Физики называют такой процесс фазовым переходом, а фазами — устойчивые состояния вещества, различающиеся какими-либо параметрами.

Другой тип перестройки кристаллической решётки связан с изменением при нагреве углов между связями атомов. Представьте себе четыре атома, расположенных в вершинах ромба. Если начать раздвигать две противоположные вершины, не меняя длины сторон, то две другие вершины начнут сближаться. Таким образом, в одном направлении будет происходить расширение вещества, а в другом — сжатие. Связано это с тем, что в кристаллах силы взаимодействия атомов в разных направлениях могут значительно отличаться. Такие деформации получили название сдвигов, или шарнирных деформаций. Они позволили объяснить сильное различие теплового расширения в разных направлениях у многих видов кристаллов.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Первый поход Первый поход

Кем были первые переселенцы из Африки на другие континенты?

Вокруг света
Назад к истокам: почему создатель соуса Mr. Yoshida's выкупил его назад у Heinz Назад к истокам: почему создатель соуса Mr. Yoshida's выкупил его назад у Heinz

Неожиданные повороты в истории соуса Mr. Yoshida's

Forbes
Цикламены зажигают огни Цикламены зажигают огни

Среди зимнецветущих комнатных растений цикламен занимает одно из первых мест

Наука и жизнь
Джон Тиндаль и уникальные свойства паров воды: физика и метафизика Джон Тиндаль и уникальные свойства паров воды: физика и метафизика

Вклад открытий Джона Тиндаля в науку

Знание – сила
Водная палитра Водная палитра

Квартира с высокими потолками, огромными окнами и стилеобразующей панорамой

Идеи Вашего Дома
Мегахейры – загадочные и удивительные «ракопауки» Мегахейры – загадочные и удивительные «ракопауки»

Мегахейры – «прототип креветки-богомола, созданный на базе аномалокариса»

Наука и техника
Назад в будущее: почему IT-гиганты стали инвестировать миллиарды в атомную энергию Назад в будущее: почему IT-гиганты стали инвестировать миллиарды в атомную энергию

Почему корпорации ищут спасение «старом» атоме и причем тут ИИ?

Forbes
Скорая бьюти-помощь Скорая бьюти-помощь

Как привести себя в порядок после вечеринки

Лиза
Лазуритовые бусины эпохи бронзы из Омана сделали из афганского сырья Лазуритовые бусины эпохи бронзы из Омана сделали из афганского сырья

Ученые проанализировали лазуритовые бусины, которые археологи обнаружили в Омане

N+1
Мэр Анапы — о казаке Илоне Маске и депутатах Мэр Анапы — о казаке Илоне Маске и депутатах

«Новая Анапа» и выборы Совета: как сегодня развивается город-курорт

ФедералПресс
Привычка быть счастливой Привычка быть счастливой

Как Марина Александрова транслирует свою миссию «делать людей счастливыми»

OK!
Дикая охота Дикая охота

Я провожу свою вечность с теми, кто никогда говорить не умел

СНОБ
Музыка, созданная искусственным интеллектом: кто является автором? Музыка, созданная искусственным интеллектом: кто является автором?

Как ИИ влияет на авторское право в музыкальной сфере?

Наука и техника
Волшебный мотив Волшебный мотив

Шампанское и креветки, классический новогодний дуэт, камертон праздничного стола

Добрые советы
Бог есть свет: Дмитрий Лукьянов «Год в Чувашии» Бог есть свет: Дмитрий Лукьянов «Год в Чувашии»

Глава из романа Дмитрия Лукьянова «Год в Чувашии»

СНОБ
В кругу друзей В кругу друзей

Новый год – самое время, чтобы исправить ошибки и наладить контакт с окружающими

Лиза
Освобождение и эксплуатация: как менялось отношение к обнаженному телу в кино Освобождение и эксплуатация: как менялось отношение к обнаженному телу в кино

Как менялось восприятие женского обнаженного тела?

Forbes
Для чего может пригодиться пушка Гаусса? Для чего может пригодиться пушка Гаусса?

Поиск параметров конверсии энергии магнитного поля в кинетическую энергию

Наука и техника
Дело сделано Дело сделано

Творцы заряжают верой в то, что любимое занятие может вырасти в небольшое дело

Seasons of life
Пять прелюдий о Грибоедове Пять прелюдий о Грибоедове

Грибоедовский миф занимает особое место среди других литературных мифов

Знание – сила
Осторожно, мокрый пол: как Puma и Марк Кукурелья попытались обратить провал в шутку Осторожно, мокрый пол: как Puma и Марк Кукурелья попытались обратить провал в шутку

Провал Пумы: вышедший в новой обуви на поле Кукурелья дважды поскользнулся

Forbes
Транспорт, который удивляет: как инновации помогают при передвижении по городу Транспорт, который удивляет: как инновации помогают при передвижении по городу

Технологические тренды, развивающиеся в сфере городского транспорта в регионах

ФедералПресс
Травля на работе: как уцелеть в недружелюбном коллективе Травля на работе: как уцелеть в недружелюбном коллективе

Что такое моббинг и можно ли ему противостоять?

Psychologies
Де Голль — ставка на «зеро» Де Голль — ставка на «зеро»

Шарль де Голль: пятая республика, сильная власть, отставка правительства

Дилетант
Компаньоны-долгожители: 10 домашних животных, которые живут дольше всех Компаньоны-долгожители: 10 домашних животных, которые живут дольше всех

10 питомцев-долгожителей, которые будут разделять вашу любовь долгие годы

ТехИнсайдер
Как в лучших домах Как в лучших домах

Выбираем качественную икру для праздничного стола

Лиза
Ближайшее окружение Ближайшее окружение

Всегда ли удается разместить произведения современного искусства в квартире

СНОБ
Мультиколорные зумеры Мультиколорные зумеры

На рынок приходят новые потребители, и производителям предстоит с ними работать

Монокль
Dongfeng Paladin: Рыцарь без страха и упрёка Dongfeng Paladin: Рыцарь без страха и упрёка

Dongfeng Paladin: аутентичный внедорожник

4x4 Club
Силой мысли Силой мысли

Решила стать стройнее? Для этого нужен определенный настрой

Лиза
Открыть в приложении