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

Саранча толпится на улицах Саранча толпится на улицах

Для моделирования городских потоков можно использовать саранчу

Знание – сила
Вот так спорт, или назло рекордам Вот так спорт, или назло рекордам

Спортивные соревнования, которые и спортом-то не назовешь

Зеркало Мира
Вот сбитень! Вот горячий! Вот сбитень! Вот горячий!

Сбитень-сбитенёк — пьёт его щеголёк, пьёт-попивает, сам похваливает…

Наука и жизнь
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
Банковская идея Банковская идея

Как банки в рекламе ищут новые смыслы и старые ценности

Деньги
Эра Тейлор Свифт: чем одна из главных поп-артисток вдохновляет женщин по всему миру Эра Тейлор Свифт: чем одна из главных поп-артисток вдохновляет женщин по всему миру

Почему тысячи женщин пытаются быть похожими на Тейлор Свифт?

Forbes
Дорогая моя Москва Дорогая моя Москва

Краткая история элитных районов Москвы

СНОБ
Пережить декабрь: как растет спрос на адвент-календари и сколько денег они приносят Пережить декабрь: как растет спрос на адвент-календари и сколько денег они приносят

С чем связан тренд на адвент-календари и сколько на нем можно заработать?

Forbes
Если отец — нарцисс, дочь — русалочка: психолог рассказала о синдроме, который есть у многих женщин Если отец — нарцисс, дочь — русалочка: психолог рассказала о синдроме, который есть у многих женщин

Что такое синдром Русалочки?

Psychologies
Твой идеальный отдых Твой идеальный отдых

Пройди тест и узнай, какой вид релаксации подходит именно тебе

Лиза
Антилопа суни Антилопа суни

Самые маленькие в Африке антилопы – бесстрашные борцы за место под солнцем

Знание – сила
Мамбл-ром-хоррор Мамбл-ром-хоррор

«Мой сосед — монстр»: «Красавица и чудовище» нового времени

Weekend
Правила волшебства Правила волшебства

Вы когда-нибудь замечали, как волшебные сказки похожи друг на друга?

СНОБ
Сексизм, киднеппинг и гусеница-наркоманка — за что критикуют вселенную Диснея Сексизм, киднеппинг и гусеница-наркоманка — за что критикуют вселенную Диснея

Какие картины студии Disney вызывали недовольство публики?

СНОБ
Тройное открытие Тройное открытие

Что это – трикладушка? Гармошка? Складной планшет?

ТехИнсайдер
Поэт Алексей Никонов об альбоме «Последних танков в Париже» — «2084» Поэт Алексей Никонов об альбоме «Последних танков в Париже» — «2084»

Леха Никонов повествует историю создания альбома «2084» — от начала и до конца

СНОБ
В горгонопсе с Мальорки заподозрили древнейшего представителя терапсид В горгонопсе с Мальорки заподозрили древнейшего представителя терапсид

Ученые обнаружили на острове Мальорка в Средиземном море остатки горгонопса

N+1
Вечность пахнет нефтью Вечность пахнет нефтью

«Лэндмен»: нефтедобытчики куют американскую мечту

Weekend
Как получить ЭПСМ на снегоход и квадрицикл – и избежать ошибки, которую делают 70% владельцев Как получить ЭПСМ на снегоход и квадрицикл – и избежать ошибки, которую делают 70% владельцев

Какие основные шаги надо проделать, чтобы получить ЭПСМ

ТехИнсайдер
Основатели Simple — о 30-летии бренда и планах на будущее Основатели Simple — о 30-летии бренда и планах на будущее

Основатели Simple — зачем нужно покупать вино, разлитое в год рождения детей

РБК
Выбор выхода Выбор выхода

Три истории о возможностях финала

Weekend
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
Игра на повышение Игра на повышение

У Софьи Шидловской два события в декабре – премьера «Чайки» и «Первый номер»

Grazia
Проклятье малой серии Проклятье малой серии

Как российскому автопрому нарастить производство?

Монокль
Позаботьтесь о своем пушистом товарище: как правильно чистить игрушки для собак и зачем вообще это нужно Позаботьтесь о своем пушистом товарище: как правильно чистить игрушки для собак и зачем вообще это нужно

Как мыть игрушки из разных материалов — плюша, пластика, каната или резины.

ТехИнсайдер
11 возможных причин того, что вы все еще одна 11 возможных причин того, что вы все еще одна

Скорее всего, у того, что вы пока не в отношениях, есть весомая причина

Psychologies
Остров проклятых: как Гайола разрушила жизни всех своих владельцев Остров проклятых: как Гайола разрушила жизни всех своих владельцев

За гробовой тишиной острова Гайола скрываются жуткие истории

ТехИнсайдер
Как правильно выражать гнев: 4 этапа проживания негативных эмоций Как правильно выражать гнев: 4 этапа проживания негативных эмоций

Всегда ли стоит выражать свой гнев и как прожить его без вреда?

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
«Что наша жизнь? Игра!»: как эволюционировали интеллектуальные телешоу в России «Что наша жизнь? Игра!»: как эволюционировали интеллектуальные телешоу в России

Как на российском телевидении складывался жанр интеллектуальной игры?

Правила жизни
Открыть в приложении