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

Дело о рыбаках и рыбке Дело о рыбаках и рыбке

Преступная деятельность в Минрыбхозе СССР

Дилетант
О науках естественных и не очень О науках естественных и не очень

Как выбраться из болота экономической неопределенности

Деньги
От мала до велика От мала до велика

Рассматриваем рекордсменов из царства животных

Наука и жизнь
9 неожиданных вещей, которые можно и нужно мыть в посудомоечной машине 9 неожиданных вещей, которые можно и нужно мыть в посудомоечной машине

Посудомоечная машина способна мыть не только посуду

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
Теория расширяющейся Земли Теория расширяющейся Земли

В самом центре земного ядра находится мощный термоядерный реактор

Зеркало Мира
Один за всех: Как искусственный интеллект помогает HR в эпоху кадрового голода Один за всех: Как искусственный интеллект помогает HR в эпоху кадрового голода

Какие задачи для HR решает искусственный интеллект?

Inc.
Транспорт, который удивляет: как инновации помогают при передвижении по городу Транспорт, который удивляет: как инновации помогают при передвижении по городу

Технологические тренды, развивающиеся в сфере городского транспорта в регионах

ФедералПресс
Стильные идеи для загородного дома Стильные идеи для загородного дома

Сейчас в тренде несколько направлений новогодней стилистики

Добрые советы
Во имя отца и сына Во имя отца и сына

Эволюция российских пап

Men Today
Самые опасные пищевые привычки россиян и чем вредна доставка Самые опасные пищевые привычки россиян и чем вредна доставка

Что происходит с пищевым поведением россиян?

Inc.
Современное состояние ВТС России и Китая Современное состояние ВТС России и Китая

Сотрудничество Москвы и Пекина носит выраженный «антиамериканский» характер

Обозрение армии и флота
Искусство найма: как увеличить число разработчиков в 5 раз и снизить текучесть кадров Искусство найма: как увеличить число разработчиков в 5 раз и снизить текучесть кадров

Как практика One day offer помогает нанимать лучших специалистов в IT-отрасли

СНОБ
«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
На худой конец На худой конец

Как быть при осечке в сексе

Men Today
Заряд энергии: 7 видов чая, которые взбодрят не хуже кофе Заряд энергии: 7 видов чая, которые взбодрят не хуже кофе

От пуэра до саган-дайля: самые бодрящие виды листового напитка

ТехИнсайдер
Зеленое поколение: экологическая тревожность и аллергия на гиперпотребление Зеленое поколение: экологическая тревожность и аллергия на гиперпотребление

Почему для альфа и зумеров забота о планете стала обычной рутиной?

Forbes
Из «Золушки» в «Королеву подлости»: история Леоны Хелмсли, которая владела одними из самых роскошных отелей Нью-Йорка Из «Золушки» в «Королеву подлости»: история Леоны Хелмсли, которая владела одними из самых роскошных отелей Нью-Йорка

История «Злой ведьмы Запада» Леоны Хелмсли

ТехИнсайдер
Непростой узелок Непростой узелок

О чем сообщают увеличенные лимфоузлы у ребенка?

Лиза
Почему анаморфные объективы популярны в кино, однако не на ТВ? Узнайте секреты киноделов! Почему анаморфные объективы популярны в кино, однако не на ТВ? Узнайте секреты киноделов!

Анаморфные объективы — это техника, которая преобразила язык кинематографа

ТехИнсайдер
Пол Гетти: история бережливого миллиардера, который отказывался платить выкуп за похищенного внука Пол Гетти: история бережливого миллиардера, который отказывался платить выкуп за похищенного внука

Рассказываем историю одного из самых богатых и жадных людей планеты

ТехИнсайдер
Счастье, грусть и черный юмор: 10 фильмов и сериалов про материнство Счастье, грусть и черный юмор: 10 фильмов и сериалов про материнство

10 фильмов и сериалов, которые показывают, каким разным может быть материнство

Forbes
Трофеи Вьетконга Трофеи Вьетконга

Во время Вьетнамской войны почтовые марки выпускала не только Республика Вьетнам

Дилетант
Популярно о почвах Популярно о почвах

Почему нельзя судить о почве по её верхнему слою?

Наука и техника
Прошёл год Прошёл год

Юлия Снигирь — об особенном знакомстве, которое изменило её жизнь

Новый очаг
Тонкая материя Тонкая материя

Как инновационные и экоткани меняют индустрию моды

РБК
Рок-н-ролл из сказки Рок-н-ролл из сказки

Почему «музыкальная сказка» и имя композитора Геннадия Гладкова — синонимы

СНОБ
«Научное волонтерство: Делаем науку вместе» «Научное волонтерство: Делаем науку вместе»

К каким исследованиям ученые впервые привлекли добровольцев

N+1
Скорость без звука Скорость без звука

Как устроены электрические байки Ducati V21L

ТехИнсайдер
Ананас Ананас

Польза ананаса, ананасовая диета и рецепты с этим фруктом

Здоровье
Открыть в приложении