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

Небесная Европа Небесная Европа

Возможно, спутник Юпитера — место, где есть, пусть и самая примитивная, жизнь?

Знание – сила
Голосом не лучше Голосом не лучше

«Русская служба» Зиновия Зиника: эмиграция как анекдот

Weekend
25 оттенков горечи 25 оттенков горечи

Как воспринимается горечь: в желудке, мозге, сердце и даже мочеполовой системе?

Наука и жизнь
«Отчаянные траты»: почему зумеры предаются бездумному шопингу и при чем тут мировые проблемы «Отчаянные траты»: почему зумеры предаются бездумному шопингу и при чем тут мировые проблемы

Почему «отчаянные траты» помогают зумерам справляться со стрессом

Psychologies
У последнего редута У последнего редута

Бенито Муссолини закончил политическую карьеру главой марионеточного государства

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
«Наше оружие — это разговоры»: почему тюрьмы в Норвегии считаются лучшими в мире «Наше оружие — это разговоры»: почему тюрьмы в Норвегии считаются лучшими в мире

Что произойдет, если мы начнем относиться к преступникам как к обычным людям?

Psychologies
Идеальная мама — это миф: 3 способа избавиться от чувства вины перед ребенком Идеальная мама — это миф: 3 способа избавиться от чувства вины перед ребенком

Почему женщины после рождения ребенка никогда не чувствуют себя счастливыми?

Psychologies
Выбор выхода Выбор выхода

Три истории о возможностях финала

Weekend
Цикламены зажигают огни Цикламены зажигают огни

Среди зимнецветущих комнатных растений цикламен занимает одно из первых мест

Наука и жизнь
3 вида пилингов: какой лучше подойдет вашей коже 3 вида пилингов: какой лучше подойдет вашей коже

Какой вид пилинга выбрать? Разбираемся с косметологом-эстетистом

Psychologies
Что делать, если шелушится кожа вокруг ногтей: 8 простых лайфхаков Что делать, если шелушится кожа вокруг ногтей: 8 простых лайфхаков

Как придать коже возле ногтей здоровый вид?

VOICE
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
Большая история маленького самолета. Часть 1 Большая история маленького самолета. Часть 1

Через призму суперджета смотрим на российский авиапром в новейшем времени

Наука и техника
Какие риски несет использование искусственного интеллекта в бизнесе Какие риски несет использование искусственного интеллекта в бизнесе

Сможет ли бизнес пользоваться ИИ, не создавая серьезных проблем?

Монокль
«Бежевое родительство»: как соцсети навязывают «правильные» тренды в воспитании детей «Бежевое родительство»: как соцсети навязывают «правильные» тренды в воспитании детей

Почему просмотр материалов о воспитании детей в соцсетях может вызвать стресс?

Forbes
Где есть и чем вдохновляться: художник Александр Сорокин — о любимых инклюзивных местах в Москве Где есть и чем вдохновляться: художник Александр Сорокин — о любимых инклюзивных местах в Москве

Художник Александр Сорокин — о любимых местах в Москве и кино

СНОБ
Как общение с чат-ботом убило подростка: полная версия душераздирающей истории Как общение с чат-ботом убило подростка: полная версия душераздирающей истории

Какую неочевидную угрозу таит в себе искусственный интеллект?

Inc.
«Нет причин не продлить нашу жизнь до 200 лет и даже до 1000» «Нет причин не продлить нашу жизнь до 200 лет и даже до 1000»

Как мировая наука и бизнес борются со старением

РБК
Королевский детектив Королевский детектив

В 1694 году Филипп Кристоф фон Кёнигсмарк вошёл во дворец Эрнста Августа

Дилетант
Всё это приключилось Всё это приключилось

Реальные истории о самых странных и счастливых праздниках

Новый очаг
Как подготовиться Новому году и не сойти с ума Как подготовиться Новому году и не сойти с ума

Как получить максимум удовольствия и минимум стресса в декабре

Grazia
Поэт Императорской гвардии Поэт Императорской гвардии

Поэты-эмигранты возвращались в Россию стихами. Но иным и того не довелось

Дилетант
Фюрер и дуче Фюрер и дуче

Между итальянским фашизмом и германским национал-социализмом есть разница

Дилетант
Дикая женщина, суперженщина и сестра: как вернуть себе целостность Дикая женщина, суперженщина и сестра: как вернуть себе целостность

Истинная женская сила проистекает не из соперничества, а из солидарности

Psychologies
Люди после трансплантации органов наследуют черты и воспоминания своих доноров Люди после трансплантации органов наследуют черты и воспоминания своих доноров

Сегодня область трансплантации органов отодвигает привычные нам рамки

ТехИнсайдер
Кто заменит иностранную цифру Кто заменит иностранную цифру

Российские IT-компании наращивают темпы в импортозамещении ПО

Монокль
Ольга и Мария Гусевы Ольга и Мария Гусевы

Фэшн-дивы Ольга и Мария Гусевы собрали уникальную коллекцию посуды

Собака.ru
Древние джентльмены удачи Древние джентльмены удачи

Анархисты и разбойники Древнего мира – хапиру

Знание – сила
Воздушный океан... Воздушный океан...

Мы все живём где-то на дне воздушного океана

Наука и жизнь
Открыть в приложении