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

Крошка Ро Крошка Ро

Блогер Марьяна Ро выбралась в реальный мир без одежды

Maxim
Строить меньше и дольше Строить меньше и дольше

Девелоперы и банки не собираются снижать цены на новостройки

Монокль
Наследие Алексея Бахрушина — история и современность Наследие Алексея Бахрушина — история и современность

О деятельности А. А. Бахрушина, о судьбе дела всей его жизни, Театрального музея

Знание – сила
Как экс-сотрудник «Яндекса» запустил сервис ремонта гаджетов, который взлетел за счет дружелюбного отношения к клиентам Как экс-сотрудник «Яндекса» запустил сервис ремонта гаджетов, который взлетел за счет дружелюбного отношения к клиентам

Отрывок из книги «Сделано по-настоящему» о предпринимателях (не)перфекционистах

Inc.
Дмитрий Чеботарев: «Мой персонаж не пыльный» Дмитрий Чеботарев: «Мой персонаж не пыльный»

Дмитрий Чеботарев рассказал о погружении в физику и секретных объектах

Grazia
Что смотреть на выходных: «Арман», «Амадей», «Степной волк» и «Присяжный номер два» Что смотреть на выходных: «Арман», «Амадей», «Степной волк» и «Присяжный номер два»

В кинотеатрах можно посмотреть, кого Норвегия в этом году отправляет на «Оскар»

Правила жизни
Пряничная избушка Пряничная избушка

Рассказ Павла Пепперштейна о пряниках и сказках

Правила жизни
Как найти общие ценности в отношениях: советы психолога Как найти общие ценности в отношениях: советы психолога

Как сделать так, чтобы собственные принципы не помешали гармонии в паре?

Psychologies
Дядя Коля выходит на контакт Дядя Коля выходит на контакт

Сева, скажи, ты же не видишь рядом с собой этого… как его… из НЛО?

СНОБ
Царица наук… Царица наук…

Достижения российской астрономии за сто лет

Знание – сила
Пять прелюдий о Грибоедове Пять прелюдий о Грибоедове

Грибоедовский миф занимает особое место среди других литературных мифов

Знание – сила
25 «говорящих» табличек 25 «говорящих» табличек

На каком языке говорили на острове Пасхи, и что такое таблички ронго-ронго?

Зеркало Мира
Они повсюду: 7 источников радиации, которые окружают нас в быту Они повсюду: 7 источников радиации, которые окружают нас в быту

Какие из домашних вещей могут быть настоящими источниками радиации?

ТехИнсайдер
О Юрии Никулине. Великий клоун О Юрии Никулине. Великий клоун

Татьяна могла бы и сама стать известной актрисой, но Никулин не позволил

Коллекция. Караван историй
Первому «Аватару» 15 лет. Как создавался революционный проект Джеймса Кэмерона Первому «Аватару» 15 лет. Как создавался революционный проект Джеймса Кэмерона

Какую роль «Аватара» занял в истории кино и наших сердцах?

Правила жизни
Привезите мне на Новый год санкционку в подарок Привезите мне на Новый год санкционку в подарок

Какими путями в страну попадает импорт и какие препятствия стоят у него на пути

Монокль
Ольга Бузова: «Мне не нужен ураган в душе. Мне по кайфу штиль» Ольга Бузова: «Мне не нужен ураган в душе. Мне по кайфу штиль»

Ольга Бузова: как продолжить верить людям, несмотря на прошлый негативный опыт

Добрые советы
Не сгинела Не сгинела

«Польша не погибла, покуда мы живы»

Дилетант
Историческая сага: 5 книг для ценителей масштабных историй Историческая сага: 5 книг для ценителей масштабных историй

Романы-саги, которые позволят рассмотреть мировые события с разных точек зрения

Maxim
El Copitas. 10 лет выдержки! El Copitas. 10 лет выдержки!

Верховые барные деятели Петербурга раскачали питейную индустрию всей страны

Собака.ru
Всхлип тишины Всхлип тишины

Джошуа Оппенхаймер и его «Конец света»

Weekend
Где живут люди-рыбы Где живут люди-рыбы

В Юго-Восточной Азии живут люди, не представляющие себя без моря и свободы

Зеркало Мира
Хмелита: день сегодняшний и завтрашний Хмелита: день сегодняшний и завтрашний

О нынешнем дне усадьбы Хмелита и всего музея-заповедника

Знание – сила
Как сэкономить деньги — изучите 10 маркетинговых уловок, которые заставляют нас покупать ненужные товары Как сэкономить деньги — изучите 10 маркетинговых уловок, которые заставляют нас покупать ненужные товары

10 уловок, которые вызывают желание заполучить совершенно бесполезный товар

Psychologies
От ситцевой до бриллиантовой: как называются разные годовщины свадеб и откуда взялись такие названия От ситцевой до бриллиантовой: как называются разные годовщины свадеб и откуда взялись такие названия

Годовщины свадьбы: с чем связаны их названия и какие не принято отмечать?

ТехИнсайдер
«Мечты сбываются, если верить и идти вперед» «Мечты сбываются, если верить и идти вперед»

Давид Манукян о своих источниках вдохновения, борьбе с выгоранием и уроках года

OK!
Вокруг света по кусочкам: Восточная Европа Вокруг света по кусочкам: Восточная Европа

Удивительные встречи. Одно из таких знакомств — с путешественником Юрием Лыхиным

Seasons of life
И представление начинается! И представление начинается!

Фрагмент сказки Вали Филиппенко «Нашу маму раздраконили»

Правила жизни
Кривой рок Кривой рок

Рокеры и их зависимости

Men Today
Каир: город святости, богатства и нищеты Каир: город святости, богатства и нищеты

Египет бывает разный! Послушаем бывалого путешественника

Зеркало Мира
Открыть в приложении