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

Софонисба Вторая… — Первая! Софонисба Вторая… — Первая!

Кто сказал, что эмансипированные женщины появились только в конце XIX века?

Знание – сила
Relax, Take It Easy Relax, Take It Easy

Что самое важное в совместном отдыхе для Алексея и Лейсан Чадовых

OK!
«Окольцованная» Земля «Окольцованная» Земля

Где планеты находят свои кольца? Могли ли они быть и у Земли?

Наука и жизнь
Дикая охота Дикая охота

Я провожу свою вечность с теми, кто никогда говорить не умел

СНОБ
Игра на повышение Игра на повышение

У Софьи Шидловской два события в декабре – премьера «Чайки» и «Первый номер»

Grazia
Уголовница, изменщица, спецагент Уголовница, изменщица, спецагент

Версий «Мурки» существует бессчётное множество, и это делает ее такой загадочной

Дилетант
Во имя отца и сына Во имя отца и сына

Эволюция российских пап

Men Today
Скорая бьюти-помощь Скорая бьюти-помощь

Как привести себя в порядок после вечеринки

Лиза
Выборочные инвестиции Выборочные инвестиции

Вложения в фонды акций за год выросли почти в пять раз

Деньги
Как влюбить в себя и удержать мужчину, не манипулируя им: 6 шагов Как влюбить в себя и удержать мужчину, не манипулируя им: 6 шагов

Может ли манипуляция в отношениях быть «во благо»?

Psychologies
Стратегические ядерные силы Пакистана Стратегические ядерные силы Пакистана

Военное руководство Пакистана определяет военную доктрину как оборонительную

Обозрение армии и флота
Сделай меня незаметно: как меняется отношение к пластической хирургии в наши дни Сделай меня незаметно: как меняется отношение к пластической хирургии в наши дни

Как модернизируется сегмент пластической хирургии?

Forbes
Сергей Капица как искусственный интеллект Сергей Капица как искусственный интеллект

В чем опасность цифрового двойника человека

Наука
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
Помощники РПКСН Помощники РПКСН

Роль флота в структуре ядерного сдерживания

Обозрение армии и флота
30 лет в борьбе за людей: как развивался региональный парламентаризм в России 30 лет в борьбе за людей: как развивался региональный парламентаризм в России

Как развивался местный парламентаризм в России и каковы пути его развития

ФедералПресс
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
HR-директор — об инвестициях в людей и трендах кадровой политики HR-директор — об инвестициях в людей и трендах кадровой политики

Как ставка на человекоцентричность меняет HR-политику современных компаний

ФедералПресс
Что делать, если шелушится кожа вокруг ногтей: 8 простых лайфхаков Что делать, если шелушится кожа вокруг ногтей: 8 простых лайфхаков

Как придать коже возле ногтей здоровый вид?

VOICE
Игра Brawl Stars: популярное развлечение или угроза для детей? Игра Brawl Stars: популярное развлечение или угроза для детей?

Разбираемся, в чем секрет игры Brawl Stars и стоит ли беспокоиться взрослым

Psychologies
Вокруг света по кусочкам: Восточная Европа Вокруг света по кусочкам: Восточная Европа

Удивительные встречи. Одно из таких знакомств — с путешественником Юрием Лыхиным

Seasons of life
Подумайте дважды: 9 очаровательных пород собак, которые не подойдут семье с ребенком Подумайте дважды: 9 очаровательных пород собак, которые не подойдут семье с ребенком

Породы, которые не подходят для семей с маленькими детьми

ТехИнсайдер
Тройное открытие Тройное открытие

Что это – трикладушка? Гармошка? Складной планшет?

ТехИнсайдер
Юлия Барановская: «Не будет боли и обид, если не врать себе» Юлия Барановская: «Не будет боли и обид, если не врать себе»

Обсудили с телеведущей семейные традиции, путешествия и материнский стресс

VOICE
Мамбл-ром-хоррор Мамбл-ром-хоррор

«Мой сосед — монстр»: «Красавица и чудовище» нового времени

Weekend
Храп — это нормально, а прививки вызывают аутизм: мифы о здоровье, в которые многие продолжают верить Храп — это нормально, а прививки вызывают аутизм: мифы о здоровье, в которые многие продолжают верить

Устаревшие представления о здоровье, в которые мы до сих пор верим

ТехИнсайдер
Новогодний сюрприз Новогодний сюрприз

Борис Николаевич Ельцин был горазд на сюрпризы

Дилетант
Подарок со звёздочкой Подарок со звёздочкой

Как родителям справиться с подарками для ребёнка — советует многодетная мама

Новый очаг
Тонкая материя Тонкая материя

Как инновационные и экоткани меняют индустрию моды

РБК
Елена Николаева: «Я была влюблена в Смехова. Его Атос казался мне мужчиной мечты» Елена Николаева: «Я была влюблена в Смехова. Его Атос казался мне мужчиной мечты»

Я в отношениях уже девять лет, поэтому не могу сказать, что влюблена. Я люблю

Караван историй
Открыть в приложении