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

«Книга Страшного суда» «Книга Страшного суда»

«Книга Страшного суда» — итог первой всеобщей переписи земель в Европе

Дилетант
Понемногу о многом Понемногу о многом

Забытые плавания в Индию

Знание – сила
Идти навстречу светилу! Идти навстречу светилу!

История института солнечно-земной физики уходит корнями в докосмическую эру

Наука и жизнь
Выйди и зайди нормально: почему российский стартап не смог завоевать рынок Вьетнама Выйди и зайди нормально: почему российский стартап не смог завоевать рынок Вьетнама

Что случилось с компанией Hybrid, которая неудачно зашла на вьетнамский рынок

Forbes
Леонела Мантурова: «Не зарекаюсь ни от комедийных, ни от драматических ролей» Леонела Мантурова: «Не зарекаюсь ни от комедийных, ни от драматических ролей»

Поговорили с актрисой о съемках в исторической экшен-драме «Злой город»

VOICE
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
До IPO не дотерпели До IPO не дотерпели

Почему компании выбирают выход на рынок pre-IPO

Монокль
Как грабили Зимний Как грабили Зимний

Что стало с культурными ценностями после штурма Зимнего дворца в 1917?

Дилетант
В горгонопсе с Мальорки заподозрили древнейшего представителя терапсид В горгонопсе с Мальорки заподозрили древнейшего представителя терапсид

Ученые обнаружили на острове Мальорка в Средиземном море остатки горгонопса

N+1
Мамины помощники Мамины помощники

Как приучить детей выполнять элементарные обязанности по дому?

Лиза
«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
Анастасия Вертинская: «Главное, что я выстояла» Анастасия Вертинская: «Главное, что я выстояла»

Когда ты встаешь на какую-то определенную дорогу, нельзя быть трусом

Коллекция. Караван историй
«Белград»: фрагмент из нового романа Нади Алексеевой «Белград»: фрагмент из нового романа Нади Алексеевой

Отрывок из романа Нади Алексеевой об «одиночестве в толпе»

СНОБ
Габриэле Д’Аннунцио Габриэле Д’Аннунцио

Современный читатель знает о нём в лучшем случае двустишие Маяковского...

Дилетант
8 заветных желаний 8 заветных желаний

Как же заставить силу воображения работать? Надо превратить мечты в планы

Лиза
Непоследний пациент Непоследний пациент

«13 клиническая. Начало»: история установления контактов генсеков с демонами

Weekend
Строительство нового жилья: «Судьба льготной ипотеки определит будущее отрасли» Строительство нового жилья: «Судьба льготной ипотеки определит будущее отрасли»

Как можно ускорить строительство новых многоквартирных домов?

ФедералПресс
Грибоедов. Русская драма Грибоедов. Русская драма

«Гениальнейшей русской драмой» назвал «Горе от ума» А. Блок. Где же драма?

Знание – сила
Не платил налоги, опубликовал фото с «кровавого» сафари, надел костюм со свастикой: дети политиков, которые попадали в крупные скандалы Не платил налоги, опубликовал фото с «кровавого» сафари, надел костюм со свастикой: дети политиков, которые попадали в крупные скандалы

Скандальные истории наследников глав государств

СНОБ
«Хлеб и розы»: что афганские женщины рассказали в документальном фильме о своей жизни «Хлеб и розы»: что афганские женщины рассказали в документальном фильме о своей жизни

Как фильм «Хлеб и розы» помогает взглянуть на жизнь афганских женщин

Forbes
Балджи у далеких ярких субмиллиметровых галактик сформировались за счет вспышек звездообразования Балджи у далеких ярких субмиллиметровых галактик сформировались за счет вспышек звездообразования

Телескопы ALMA и «Джеймс Уэбб» наблюдали балджи у субмиллиметровых галактик

N+1
Цикламены зажигают огни Цикламены зажигают огни

Среди зимнецветущих комнатных растений цикламен занимает одно из первых мест

Наука и жизнь
«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
Дмитрий Чеботарев: «Мой персонаж не пыльный» Дмитрий Чеботарев: «Мой персонаж не пыльный»

Дмитрий Чеботарев рассказал о погружении в физику и секретных объектах

Grazia
Строить меньше и дольше Строить меньше и дольше

Девелоперы и банки не собираются снижать цены на новостройки

Монокль
Чем дышат почвы и как они влияют на климат Чем дышат почвы и как они влияют на климат

Наверное, мало кто знает, что почвы участвуют в регуляции климата

Наука и жизнь
Скорая бьюти-помощь Скорая бьюти-помощь

Как привести себя в порядок после вечеринки

Лиза
Заповедная зона Заповедная зона

Самобытная вилла в Подмосковье, вдохновленная философией бренда Visionnaire

SALON-Interior
Тихая охота биотехнологов Тихая охота биотехнологов

Почему грибы становятся кандидатом в «эликсиры долголетия и молодости»

Монокль
Сергей Капица как искусственный интеллект Сергей Капица как искусственный интеллект

В чем опасность цифрового двойника человека

Наука
Открыть в приложении