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

Заповедные новости Заповедные новости

События из жизни заповедников: пополнение списка грибов и находка земляной пчелы

Наука и жизнь
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
Век живи: долгожительство станет нормой Век живи: долгожительство станет нормой

Долголетие: фантазии или ближайшее будущее?

Монокль
«А на что мне миллион?» «А на что мне миллион?»

Сколько денег было у графа Монте-Кристо

Деньги
Самоубийство семьи бургомистра Самоубийство семьи бургомистра

«Кризис закончен. Орудия затихли. Кто знал, как нам стоит поступить?»

Дилетант
Инвестиции не задались Инвестиции не задались

Самые выгодные вложения 2024 года

Деньги
Три сестры Три сестры

Вера Джусти: как успешно развивать семейный бизнес и не поссориться

Grazia
Дорогой к храму: как бывший брокер и металлотрейдер вернул к жизни древнее поселение Дорогой к храму: как бывший брокер и металлотрейдер вернул к жизни древнее поселение

Как предприниматель Геннадий Спажев восстановил село Замытье

Forbes
Музыка, созданная искусственным интеллектом: кто является автором? Музыка, созданная искусственным интеллектом: кто является автором?

Как ИИ влияет на авторское право в музыкальной сфере?

Наука и техника
Атипичный персонаж Атипичный персонаж

Имя Ивана Николаевича Крамского — знаковое для всей русской живописи

Дилетант
Перелет–2020. От Санкт-Петербурга до Владивостока на мотопараплане Перелет–2020. От Санкт-Петербурга до Владивостока на мотопараплане

Перелет через 23 региона России за 69 дней на мотопараплане

Наука и техника
«Доверие Александра Македонского к врачу Филиппу» «Доверие Александра Македонского к врачу Филиппу»

Во время похода в Персию Александр Ма­кедонский тяжело заболел

Дилетант
«Ай да валенки!» «Ай да валенки!»

Валенки — обувь, которая никогда не устареет

Зеркало Мира
Relax, Take It Easy Relax, Take It Easy

Что самое важное в совместном отдыхе для Алексея и Лейсан Чадовых

OK!
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
Юра, мы все развенчали Юра, мы все развенчали

«Мифология советского космоса»: деконструкция космического нарратива

Weekend
По законам гостеприимства По законам гостеприимства

Солнечный интерьер, который встречает тепло и радостно

Идеи Вашего Дома
«Немного солнца в холодной воде» «Немного солнца в холодной воде»

Почему янтарь может стоить больше, чем бриллиант?

Зеркало Мира
Государство недооценивает проблемы в АПК Государство недооценивает проблемы в АПК

Какие риски угрожают развитию АПК

Агроинвестор
Кочек нет – но рессоры нужны. Тележки локомотивов и вагонов Кочек нет – но рессоры нужны. Тележки локомотивов и вагонов

Подробно о рессорах, колесных парах и тележках электровозов

Наука и техника
Толькo для взрослых Толькo для взрослых

5 новогодних секс-сценариев, которые добавят перчинку в праздничную ночь

Лиза
Елизавета Ищенко Елизавета Ищенко

Старт карьеры огненной артистки-ньюкамера совпал с эпохой новых русских сериалов

Собака.ru
«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
У кого и как чаще всего развивается зависимость: 3 основные стадии У кого и как чаще всего развивается зависимость: 3 основные стадии

Зависимость: где эта роковая точка невозврата и кому стоит быть осторожнее?

Psychologies
Ученые наконец-то поняли, почему от красного вина болит голова Ученые наконец-то поняли, почему от красного вина болит голова

Какие компоненты красного вина вызывают у нас головную боль?

ТехИнсайдер
Мэр Анапы — о казаке Илоне Маске и депутатах Мэр Анапы — о казаке Илоне Маске и депутатах

«Новая Анапа» и выборы Совета: как сегодня развивается город-курорт

ФедералПресс
«Братский поцелуй» «Братский поцелуй»

Одна из самых известный фотографий сделана в ГДР, 7 октября 1979 года

Дилетант
Искусственный интеллект: история ошибок Искусственный интеллект: история ошибок

Как советская бюрократия тормозила развитие технологий обработки больших данных

Монокль
Искусство компромисса Искусство компромисса

Карл V: монарх, который искал компромиссов, а в итоге разочаровался во всём

Дилетант
«Я не в ресурсе»: 7 простых способов это исправить «Я не в ресурсе»: 7 простых способов это исправить

Как восполнить свой энергетический заряд, чтобы «быть в ресурсе»?

Psychologies
Открыть в приложении