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

Удивительный трубкозуб Удивительный трубкозуб

Ожившей химерой с прошедших веков трубкозуба, шутя, обзывают

Знание – сила
Вода — главный ресурс на Луне Вода — главный ресурс на Луне

Почему «лунная вода» важна для понимания происхождения жизни на Земле?

Зеркало Мира
Дети декабря Дети декабря

Декабристы — безумцы, герои, предатели или лучшие сыны нации?

Дилетант
Дядя Коля выходит на контакт Дядя Коля выходит на контакт

Сева, скажи, ты же не видишь рядом с собой этого… как его… из НЛО?

СНОБ
«Финал — это место, где завязываются новые конфликты» «Финал — это место, где завязываются новые конфликты»

Вячеслав Курицын о последних главах «Войны и мира»

Weekend
Идеальная мама — это миф: 3 способа избавиться от чувства вины перед ребенком Идеальная мама — это миф: 3 способа избавиться от чувства вины перед ребенком

Почему женщины после рождения ребенка никогда не чувствуют себя счастливыми?

Psychologies
Тонкая материя Тонкая материя

Как инновационные и экоткани меняют индустрию моды

РБК
Взрывная техника Джона Перальты Взрывная техника Джона Перальты

Взрывные диаграммы легендарных приборов, механизмов и гаджетов прошлого

ТехИнсайдер
«Крым» – первый советский супертанкер «Крым» – первый советский супертанкер

Разработка проекта первого советского супертанкера водоизмещением 182 тыс. т

Наука и техника
Людмила Бабушкина: «Мы обязаны держать планку на высочайшем уровне» Людмила Бабушкина: «Мы обязаны держать планку на высочайшем уровне»

Как обстоят дела с реализацией социальных программ в Свердловской области?

ФедералПресс
Владимир Мартынов: «Сейчас не время Эйнштейнов или Ньютонов» Владимир Мартынов: «Сейчас не время Эйнштейнов или Ньютонов»

Об актуализации генетической памяти и принципе пестрых овец Иакова

СНОБ
Школа жизни Алексея Лукина Школа жизни Алексея Лукина

Алексей Лукин и курс на успех

Men Today
Правила съемок: метод Румянцева Правила съемок: метод Румянцева

Говорит и показывает Станислав Румянцев

Men Today
Если отец — нарцисс, дочь — русалочка: психолог рассказала о синдроме, который есть у многих женщин Если отец — нарцисс, дочь — русалочка: психолог рассказала о синдроме, который есть у многих женщин

Что такое синдром Русалочки?

Psychologies
Праздник на Неве Праздник на Неве

Зимний Санкт-Петербург приглашает на новогодние каникулы!

Лиза
Анна Кузнецова: «Можно ли перестать обижаться?» Анна Кузнецова: «Можно ли перестать обижаться?»

Возможно, кто-то разочаруется, но я считаю, что перестать обижаться невозможно

Здоровье
Лыжи, вкатка, два ствола Лыжи, вкатка, два ствола

Правила хорошего биатлона

Men Today
«Заткнись ради команды»: биатлонистки рассказали о сексуальном насилии в сборной «Заткнись ради команды»: биатлонистки рассказали о сексуальном насилии в сборной

Почему в сборной США по биатлону процветало сексуальное насилие?

Forbes
Лучшие сказки пишутся для себя Лучшие сказки пишутся для себя

Какими должны быть сказки, для кого автор пишет и ходят ли дети в библиотеки

Правила жизни
9 самых быстрых внедорожников AMG 2025 года 9 самых быстрых внедорожников AMG 2025 года

Внедорожники Mercedes-AMG, которые покорят вас своей максимальной скоростью

4x4 Club
От копеечной свечи От копеечной свечи

Всё началось с того, что осенью 1664 года в небе над Англией была видна комета

Дилетант
Проклятье малой серии Проклятье малой серии

Как российскому автопрому нарастить производство?

Монокль
«В театр приходят не за развлечением, а за разговором» «В театр приходят не за развлечением, а за разговором»

Евгений Цыганов о мечтах, опустошении и роли искусства в изменившемся мире

Правила жизни
Эмоции на работе: подавлять или проявлять? Эмоции на работе: подавлять или проявлять?

К чему может привести постоянное подавление чувств на работе?

Psychologies
Фудблогинг Фудблогинг

Среди разнообразия страниц соцсетей блоги о еде пользуются особой популярностью

Здоровье
От волонтерства до донорства: почему фондам и НКО можно помогать не только деньгами От волонтерства до донорства: почему фондам и НКО можно помогать не только деньгами

Forbes Life рассказывает о нематериальных способах поддерживать НКО и фонды

Forbes
Ключ к красоте и ухоженности Ключ к красоте и ухоженности

На вопросы о лазерной эпиляции отвечает Ксения Филатова, врач-дермато-венеролог

Здоровье
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
Как подводить итоги года правильно: 5 пунктов, которые поднимут вашу самооценку и мотивируют на движение Как подводить итоги года правильно: 5 пунктов, которые поднимут вашу самооценку и мотивируют на движение

Итоги года: как сделать этот процесс наполняющим, а не разочаровывающим?

Psychologies
Скрытые отсылки: 6 фильмов и сериалов с интересными пасхалками Скрытые отсылки: 6 фильмов и сериалов с интересными пасхалками

6 фильмов и сериалов со скрытыми намеками

Maxim
Открыть в приложении