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

Игра недоверия Игра недоверия

Советские детективы как кино морального беспокойства

Weekend
Кукольный бум Кукольный бум

Как культура осмысляла историю одной женщины, ушедшей из семьи

Weekend
Время Льва. Зимнее небо Время Льва. Зимнее небо

Об одном из самых крупных зодиакальных созвездий — созвездии Лев

Наука и жизнь
У Яниса Тиммы была маскированная депрессия? Как вовремя заметить невидимую боль близкого У Яниса Тиммы была маскированная депрессия? Как вовремя заметить невидимую боль близкого

Почему человек может маскировать свое депрессивное состояние?

Psychologies
Эмоции на работе: подавлять или проявлять? Эмоции на работе: подавлять или проявлять?

К чему может привести постоянное подавление чувств на работе?

Psychologies
Дмитрий Чеботарев: «Мой персонаж не пыльный» Дмитрий Чеботарев: «Мой персонаж не пыльный»

Дмитрий Чеботарев рассказал о погружении в физику и секретных объектах

Grazia
Софья Володчинская: «Это чудо, которое случилось со мной больше года назад, продолжается до сих пор» Софья Володчинская: «Это чудо, которое случилось со мной больше года назад, продолжается до сих пор»

Меня начало воротить от театра и от актерской профессии — внутри была пустота

Коллекция. Караван историй
«Черные лебеди» — 2025 «Черные лебеди» — 2025

Главные риски для финансовых рынков в 2025 году

Деньги
3,5 тонны роскоши 3,5 тонны роскоши

Китайский внедорожник TANK 700 очень большой, очень тихий и очень мощный

ТехИнсайдер
Виктор Логинов: «После премьеры «Счастливы вместе» многие говорили: это же я, это про меня, у меня жена такая же» Виктор Логинов: «После премьеры «Счастливы вместе» многие говорили: это же я, это про меня, у меня жена такая же»

В 90-х годах казалось, что российский кинематограф закончился

Коллекция. Караван историй
Все болезни от нервов? Все болезни от нервов?

Специалисты считают: многие проблемы со здоровьем имеют психологическую основу

Добрые советы
Границы ключ Границы ключ

Как далеко можно пускать к себе мужчину на разных этапах отношений?

VOICE
Миф нового года Миф нового года

Что делать с «неидеальностью» и как встретить Новый год с истинным удовольствием

Grazia
Путешествия во времени и пространстве Путешествия во времени и пространстве

Путешествие к гордости Мадрида – музею Прадо – и дворцу-монастырю Эскориал

Знание – сила
Радужные перспективы Радужные перспективы

Увидеть радугу посреди зимы – добрая примета. Но что именно она сулит?

Лиза
С легким паром! 7 правил, чтобы получить максимальный эффект от бани С легким паром! 7 правил, чтобы получить максимальный эффект от бани

Врачи предупреждают – париться можно не всем и отнюдь не до седьмого пота!

Лиза
Ольга Бычкова: «Российская наука застряла между глобальным Югом и Севером» Ольга Бычкова: «Российская наука застряла между глобальным Югом и Севером»

С какими вызовами столкнулась российская наука и как они влияют на работу ученых

РБК
Это я беру на себя: почему бизнес все чаще размещает IT-решения на своих серверах Это я беру на себя: почему бизнес все чаще размещает IT-решения на своих серверах

Почему бизнес предпочитает развивать свою IT-инфраструктуру?

Forbes
Туве Янссон Туве Янссон

Правила жизни писательницы Туве Янссон

Правила жизни
«У человечества сейчас сказочный период» «У человечества сейчас сказочный период»

Юрий Колокольников о моде на сказки, глобализации, инопланетянах и котах

Правила жизни
Дорогой к храму: как бывший брокер и металлотрейдер вернул к жизни древнее поселение Дорогой к храму: как бывший брокер и металлотрейдер вернул к жизни древнее поселение

Как предприниматель Геннадий Спажев восстановил село Замытье

Forbes
«Мониторинг магнитного поля — это наш компас» «Мониторинг магнитного поля — это наш компас»

Каково вырасти в семье политического деятеля и философа, а стать математиком?

Наука
Фонтан из бренди и частный концерт Майкла Джексона: 5 лучших вечеринок в истории Фонтан из бренди и частный концерт Майкла Джексона: 5 лучших вечеринок в истории

Лучшие вечеринки XX века: кто их организовывал, а кто был на них гостями?

ТехИнсайдер
Интерьер с полуслова Интерьер с полуслова

Атмосферная квартира в Санкт-Петербурге с отсылками к истории города

SALON-Interior
В чем разница между SDR и HDR? Это нужно знать каждому диджитал-артисту! В чем разница между SDR и HDR? Это нужно знать каждому диджитал-артисту!

Как выбрать подходящий формат для вашего проекта? Что значит SDR и HDR?

ТехИнсайдер
Сказочный разворот Сказочный разворот

Как мы все сегодня живем в сказке, почему это легитимно и какой в этом урок

СНОБ
Принцесса Диана обнимает взрослых сыновей: кто «воскрешает» знаменитостей и почему многих это пугает? Принцесса Диана обнимает взрослых сыновей: кто «воскрешает» знаменитостей и почему многих это пугает?

Мин Чой опубликовал несколько постов с ожившими звездами. Почему это страшно?

Psychologies
Шорт-лист Шорт-лист

Журнал «Автопилот» обойтись без людей совершенно не мог

Автопилот
Балджи у далеких ярких субмиллиметровых галактик сформировались за счет вспышек звездообразования Балджи у далеких ярких субмиллиметровых галактик сформировались за счет вспышек звездообразования

Телескопы ALMA и «Джеймс Уэбб» наблюдали балджи у субмиллиметровых галактик

N+1
Система Юпитера: бесчисленные спутники и чудеса в «зоне смерти» Система Юпитера: бесчисленные спутники и чудеса в «зоне смерти»

Помимо четырех знаменитых «галилеевых» спутников Юпитер окружен роями малых тел

Наука и техника
Открыть в приложении