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

Мастера маскировки Мастера маскировки

Козодои, вертишейки и гага: обычные птицы, которых так сложно найти в лесу

Наука и жизнь
«В русской литературе финалом по большей части является тоска» «В русской литературе финалом по большей части является тоска»

Любовь Аркус о том, что делает финалы великими

Weekend
Владимир и Рогнеда Владимир и Рогнеда

Картина Антона Лосенко: как Владимир ходил свататься к дочери полоцкого князя

Дилетант
Границы ключ Границы ключ

Как далеко можно пускать к себе мужчину на разных этапах отношений?

VOICE
5 ситуаций, в которых лучше сдаться, чем продолжать борьбу 5 ситуаций, в которых лучше сдаться, чем продолжать борьбу

Когда «сдаться» — это признак не слабости, а силы?

Psychologies
Популярно о почвах Популярно о почвах

Почему нельзя судить о почве по её верхнему слою?

Наука и техника
Назад к истокам: почему создатель соуса Mr. Yoshida's выкупил его назад у Heinz Назад к истокам: почему создатель соуса Mr. Yoshida's выкупил его назад у Heinz

Неожиданные повороты в истории соуса Mr. Yoshida's

Forbes
Богатую микофлору носа связали с повышенным риском астмы и аллергического ринита Богатую микофлору носа связали с повышенным риском астмы и аллергического ринита

Богатая микофлора носа повышает вероятность развития аллергии и  астмы

N+1
Метаморфозы «маленького дуче» Метаморфозы «маленького дуче»

Как Бенито Муссолини стал полновластным диктатором Италии

Дилетант
Почему у одних самолетов крыло находится в нижней части фюзеляжа, а у других в верхней: 15 неочевидных причин Почему у одних самолетов крыло находится в нижней части фюзеляжа, а у других в верхней: 15 неочевидных причин

От чего зависит расположение крыльев у самолетов?

ТехИнсайдер
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
Зачем суровые древнегерманские воины носили с собой маленькие ложечки Зачем суровые древнегерманские воины носили с собой маленькие ложечки

Странный артефакт, сопровождавший воинов Римской империи практически всю жизнь

ТехИнсайдер
Лучшие открытые концовки в кинофильмах Лучшие открытые концовки в кинофильмах

Фильмы, которые невероятно красиво оставляют зрителя с незаконченной историей

Maxim
Новогодний сюрприз Новогодний сюрприз

Борис Николаевич Ельцин был горазд на сюрпризы

Дилетант
Я — сноб: винодел Михаил Николаев Я — сноб: винодел Михаил Николаев

Винодел Михаил Николаев — о любви к чаю и дегустациям сыра

СНОБ
Февральская революция Февральская революция

Как русские ученые устроили шестую промышленную революцию в лаборатории

ТехИнсайдер
Скрытен, самолюбив, самонадеян, вежлив, кроток, усерден, опрятен и прилежен… Скрытен, самолюбив, самонадеян, вежлив, кроток, усерден, опрятен и прилежен…

Какие качества позволили Модесту Корфу стать идеальным чиновником

Дилетант
Евгений Люлин: «Конкуренция между ветвями власти уравновешивает их» Евгений Люлин: «Конкуренция между ветвями власти уравновешивает их»

Какой путь прошел парламент Нижегородской области за 30 лет

ФедералПресс
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
Под бой курантов Под бой курантов

Лучшие идеи для оформления новогоднего стола

Лиза
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
Где взять силы зимой? Где взять силы зимой?

Простые способы, которые помогут вам вернуть энергетический потенциал

Добрые советы
Время последних Время последних

Последний солдат Второй мировой и другие люди, на которых все закончилось

Weekend
Бэтмен против Супермена Бэтмен против Супермена

Tank 700 двойного действия

Автопилот
Счастья, здоровья: как нестандартно, но корректно поздравить коллег и партнеров с наступающими праздниками Счастья, здоровья: как нестандартно, но корректно поздравить коллег и партнеров с наступающими праздниками

Как же емко, красиво и достойно поздравить коллег и партнеров с новым годом

Psychologies
Здоровая замена Здоровая замена

Что использовать вместо коровьего молока: для кофе, выпечки, омлета и блинов

Лиза
Почему на самом деле у металлических крышек для бутылок ровно 21 зубец и зачем они вообще нужны Почему на самом деле у металлических крышек для бутылок ровно 21 зубец и зачем они вообще нужны

Почему у металлических крышек для стеклянных бутылок ровно 21 зубчик?

ТехИнсайдер
«Ах, сердце прихватило»: как отвечать на манипуляции дома и на работе, чтобы не поссориться «Ах, сердце прихватило»: как отвечать на манипуляции дома и на работе, чтобы не поссориться

Как сохранить отношения, если вами манипулируют?

Psychologies
Нужен ли детям смартфон? Разбираем мнения россиян и психолога Нужен ли детям смартфон? Разбираем мнения россиян и психолога

Смартфон для ребенка: польза и вред

Psychologies
Сюрприз под елкой Сюрприз под елкой

Полезные идеи для упаковки новогодних подарков

Добрые советы
Открыть в приложении