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

Каким ты будешь, городской бус? Каким ты будешь, городской бус?

Ждать ли нам завтра электробусов в каждом городе?

Наука и жизнь
Жемчужины нашей планеты: 10 самых маленьких птиц в мире, о существовании которых вы могли и не подозревать Жемчужины нашей планеты: 10 самых маленьких птиц в мире, о существовании которых вы могли и не подозревать

Самые крохотные птицы в мире

ТехИнсайдер
Под ветвями вишни... Под ветвями вишни...

Рассказ для любителей фантастики «Под ветвями вишни...»

Наука и жизнь
Это не шутки: что такое мемкоины Это не шутки: что такое мемкоины

Можно ли разбогатеть на меме с собачкой или лягушонком

VC.RU
Битва при Ипсе Битва при Ипсе

Последним сражением Четвёртой войны диадохов стала битва при Ипсе

Дилетант
«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
Женщины поймут Женщины поймут

Энрика Антонелли: в чем идея новой коллекции под лозунгом Made by Italian Women

Grazia
Лучшие турецкие сериалы последних лет Лучшие турецкие сериалы последних лет

Турецкие сериалы, которые стоит посмотреть: Серкан Болат и все-все-все

Maxim
Про Голливуд! Вот что такое aspect ratio и почему важно понимать соотношение сторон экрана в кино Про Голливуд! Вот что такое aspect ratio и почему важно понимать соотношение сторон экрана в кино

Как соотношение сторон влияет на восприятие фильма?

ТехИнсайдер
«Грозы сии пойдут во славу России» «Грозы сии пойдут во славу России»

Ушаков не потерял в боях ни одного корабля, не потерпел ни одного поражения

Зеркало Мира
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
Исторический продукт Исторический продукт

Водка — напиток, который почему-то считают русским: разбираемся в заблуждениях

Зеркало Мира
Проклятье малой серии Проклятье малой серии

Как российскому автопрому нарастить производство?

Монокль
Как помочь заскучавшему сотруднику и при чем здесь теория поколений Как помочь заскучавшему сотруднику и при чем здесь теория поколений

Как разжечь в сотруднике былой интерес к работе?

Forbes
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
Ольга и Мария Гусевы Ольга и Мария Гусевы

Фэшн-дивы Ольга и Мария Гусевы собрали уникальную коллекцию посуды

Собака.ru
Скорость без звука Скорость без звука

Как устроены электрические байки Ducati V21L

ТехИнсайдер
Полный привод Torque Vectoring и кабина истребителя: мы «полетали» на обновленном кроссовере JAECOO J7 Полный привод Torque Vectoring и кабина истребителя: мы «полетали» на обновленном кроссовере JAECOO J7

Чем примечателен «крутой охотник» JAECOO J7?

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

Сколько денег было у графа Монте-Кристо

Деньги
Государь всея Руси Государь всея Руси

Когда Иван III пришел к власти, он стал правителем карликового государства...

Знание – сила
Превратности распада Превратности распада

После смерти царя Ирода Великого в Иудее вспыхнули нескончаемые беспорядки

Знание – сила
Время последних Время последних

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

Weekend
Воздушный океан... Воздушный океан...

Мы все живём где-то на дне воздушного океана

Наука и жизнь
В городе дождей В городе дождей

Обустройство квартиры для сдачи в аренду — задача со многими неизвестными

Идеи Вашего Дома
Польза мидий: 5 свойств и противопоказания Польза мидий: 5 свойств и противопоказания

Мидии: в чем их польза, а также три рецепта от шеф-повара

РБК
В определенных обстоятельствах В определенных обстоятельствах

Светлана Иванова с дочерьми Полиной и Мирой впервые снималась для глянца!

OK!
Школа жизни Алексея Лукина Школа жизни Алексея Лукина

Алексей Лукин и курс на успех

Men Today
Уйти из искусства ради искусства Уйти из искусства ради искусства

Как группа OHO сошла с художественной сцены в зените славы

Weekend
Елизавета Ищенко Елизавета Ищенко

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

Собака.ru
Изба-читальня Изба-читальня

10 способов обустроить домашнюю библиотеку

Лиза
Открыть в приложении