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

Болотный хлопок Болотный хлопок

Пушица — растение с мягким пушком, которое растёт на болотах

Наука и жизнь
Я — сноб: винодел Михаил Николаев Я — сноб: винодел Михаил Николаев

Винодел Михаил Николаев — о любви к чаю и дегустациям сыра

СНОБ
«Включение в систему» «Включение в систему»

Как немецкий народ приобщали к обязательной для всех нацистской идеологии

Дилетант
«Любовник „всплывал“, как только я сходилась с бывшим»: историю о запутанных отношениях разъясняет психолог «Любовник „всплывал“, как только я сходилась с бывшим»: историю о запутанных отношениях разъясняет психолог

Причины возникновения довольно частого сценария любовного треугольника

Psychologies
Время управлять собой: почему self-skills становятся решающими для карьеры и бизнеса Время управлять собой: почему self-skills становятся решающими для карьеры и бизнеса

Что такое self-skills и зачем они нужны в работе?

Forbes
Камбоджийские рыбаки поймали шесть вымирающих гигантских сомов меньше чем за неделю Камбоджийские рыбаки поймали шесть вымирающих гигантских сомов меньше чем за неделю

Рыбаки из Камбоджи менее чем за неделю поймали шесть гигантских шильбовых сомов

N+1
Веган, дауншифтер, прокрастинатор: каким мы видим Льва Толстого сегодня Веган, дауншифтер, прокрастинатор: каким мы видим Льва Толстого сегодня

Разбираемся в нюансах поп-культурного образа Льва Толстого

РБК
Сорт-гигант: откуда в магазинах появился виноград без косточек, размером с мяч для пинг-понга Сорт-гигант: откуда в магазинах появился виноград без косточек, размером с мяч для пинг-понга

В чем секрет размеров гигантского винограда сорта «Шайн Мускат»?

ТехИнсайдер
Нерентабельный перелет Нерентабельный перелет

Почему одни дрозды улетают, а другие остаются? Результаты исследования ученых

Знание – сила
Альберт Эйнштейн и Нильс Бор Альберт Эйнштейн и Нильс Бор

Элементы сравнительного жизнеописания Альберта Эйнштейна и Нильса Бора

Наука и жизнь
Яна Сексте: «Скажу честно, я была потрясена, когда стала читать отзывы на фильм» Яна Сексте: «Скажу честно, я была потрясена, когда стала читать отзывы на фильм»

Нет маленьких ролей! Маленькая роль у тебя в голове

Караван историй
Вспомнить всё! Вспомнить всё!

Память стала все чаще подводить? Без паники – все поправимо!

Лиза
9 признаков того, что вы едите излишне много соли 9 признаков того, что вы едите излишне много соли

Что указывает на большое количество соли в организме, и как это исправить

ТехИнсайдер
Всё только начинается Всё только начинается

Здесь всё подчинено задаче создать уютный, приятный, дружественный интерьер

Идеи Вашего Дома
Дело сделано Дело сделано

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

Seasons of life
«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
Чем могли бы болеть принцессы Disney? Вот что скрывают знаменитые мультики! Чем могли бы болеть принцессы Disney? Вот что скрывают знаменитые мультики!

Болезни принцесс Disney: от болезней легких у Золушки до травм у Покахонтас

ТехИнсайдер
«Мы просто друзья»: почему у многих пар отношения начинаются с дружбы «Мы просто друзья»: почему у многих пар отношения начинаются с дружбы

Насколько распространены отношения, выросшие из дружбы?

Psychologies
От копеечной свечи От копеечной свечи

Всё началось с того, что осенью 1664 года в небе над Англией была видна комета

Дилетант
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
Вечность пахнет нефтью Вечность пахнет нефтью

«Лэндмен»: нефтедобытчики куют американскую мечту

Weekend
Как пережить предновогодний марафон и сохранить здравый рассудок Как пережить предновогодний марафон и сохранить здравый рассудок

Как не утонуть в предновогоднем хаосе и встретить праздник с улыбкой

VOICE
Третий не лишний: как работают семейные медиаторы и доулы по разводам Третий не лишний: как работают семейные медиаторы и доулы по разводам

Медиаторы по разводам: что это за профессия, насколько она пользуется спросом?

Forbes
А у нас в Рязани... А у нас в Рязани...

Не только грибы с глазами, но и масса всего интересного

Лиза
Почему мужчина не женится и как его к этому шагу подтолкнуть Почему мужчина не женится и как его к этому шагу подтолкнуть

Какие причины заставляют мужчину не жениться и как с ними справиться?

Psychologies
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
Проклятье малой серии Проклятье малой серии

Как российскому автопрому нарастить производство?

Монокль
Вода — главный ресурс на Луне Вода — главный ресурс на Луне

Почему «лунная вода» важна для понимания происхождения жизни на Земле?

Зеркало Мира
Ученые назвали самый здоровый способ приготовить брокколи Ученые назвали самый здоровый способ приготовить брокколи

Как и приготовить брокколи правильно, чтобы получить пользу

ТехИнсайдер
9 самых быстрых внедорожников AMG 2025 года 9 самых быстрых внедорожников AMG 2025 года

Внедорожники Mercedes-AMG, которые покорят вас своей максимальной скоростью

4x4 Club
Открыть в приложении