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

Между войной и Великой депрессией Между войной и Великой депрессией

Мир после Первой мировой войны продолжал меняться с непривычной людям скоростью

Вокруг света
Превратности распада Превратности распада

После смерти царя Ирода Великого в Иудее вспыхнули нескончаемые беспорядки

Знание – сила
Вот сбитень! Вот горячий! Вот сбитень! Вот горячий!

Сбитень-сбитенёк — пьёт его щеголёк, пьёт-попивает, сам похваливает…

Наука и жизнь
Его ошибка — война Его ошибка — война

Началось всё со случайного разговора в спортивном комплексе «Форо Италико»

Дилетант
У кого и как чаще всего развивается зависимость: 3 основные стадии У кого и как чаще всего развивается зависимость: 3 основные стадии

Зависимость: где эта роковая точка невозврата и кому стоит быть осторожнее?

Psychologies
Что такое «изоляция успеха» и почему богатые люди одиноки Что такое «изоляция успеха» и почему богатые люди одиноки

Почему люди, добившиеся всего, часто испытывают одиночество?

Psychologies
Два кавказца Два кавказца

Что за офицеры изображены на рисунке, который считался за авторством Лермонтова?

Дилетант
Салман Рушди: «Нож». Отрывок из новой книги писателя Салман Рушди: «Нож». Отрывок из новой книги писателя

Генетика против рака: как клеточная инженерия спасла жизнь Эмили Уайтхед

СНОБ
«Мы готовы и хотим развиваться» «Мы готовы и хотим развиваться»

Директор компании «ГТ Энерго» — о перспективах распределенной энергетики

Монокль
Ученые утяжелили фекалии планктона минеральной пылью Ученые утяжелили фекалии планктона минеральной пылью

Минеральная пыль делает его фекалии планктона более плотными

N+1
Удержи меня, если сможешь: как короткий контент захватывает внимание пользователя Удержи меня, если сможешь: как короткий контент захватывает внимание пользователя

В чем главное преимущество коротких форматов?

ТехИнсайдер
«Черные голуби»: триллер с Кирой Найтли о том, как совместить шпионаж с материнством «Черные голуби»: триллер с Кирой Найтли о том, как совместить шпионаж с материнством

Кино о женщине, которая балансирует между ролью матери и опасной работой

Forbes
Юрий Кузнецов: «Зарабатывать деньги меня учили Абдулов и Миронов» Юрий Кузнецов: «Зарабатывать деньги меня учили Абдулов и Миронов»

В театре завидовали: Кузнецов провинциал, а все снимается и снимается!

Караван историй
Всё только начинается Всё только начинается

Здесь всё подчинено задаче создать уютный, приятный, дружественный интерьер

Идеи Вашего Дома
Илья Попов Илья Попов

Илья Попов собрал самую большую в России коллекцию дизайнерских игрушек

Собака.ru
Заповедная зона Заповедная зона

Самобытная вилла в Подмосковье, вдохновленная философией бренда Visionnaire

SALON-Interior
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
«Научное волонтерство: Делаем науку вместе» «Научное волонтерство: Делаем науку вместе»

К каким исследованиям ученые впервые привлекли добровольцев

N+1
Зачем чипу родина Зачем чипу родина

Возврат к собственным разработкам возможен только через кризис

Монокль
Понемногу о многом Понемногу о многом

Забытые плавания в Индию

Знание – сила
Средний возраст — не кризис, а перекресток, или Как превратить зрелость в лучшее время жизни Средний возраст — не кризис, а перекресток, или Как превратить зрелость в лучшее время жизни

Средний возраст для многих — время кризисов, сомнений и размышлений об упущенном

Maxim
Для всех и каждого Для всех и каждого

Современный и эргономичный интерьер в компактной евротрешке

Идеи Вашего Дома
Праздник на Неве Праздник на Неве

Зимний Санкт-Петербург приглашает на новогодние каникулы!

Лиза
5 советов, как отключить голову во время секса 5 советов, как отключить голову во время секса

Как перестать думать о неважном и начать чувствовать?

Psychologies
Свет, который меняет город Свет, который меняет город

Почему светодизайн становится важным элементом градостроительства

СНОБ
«Братский поцелуй» «Братский поцелуй»

Одна из самых известный фотографий сделана в ГДР, 7 октября 1979 года

Дилетант
Водная палитра Водная палитра

Квартира с высокими потолками, огромными окнами и стилеобразующей панорамой

Идеи Вашего Дома
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
Марина Мнишек и ее мужья Марина Мнишек и ее мужья

Марина Мнишек – царица всея Руси и первая коронованная в Российском государстве

Знание – сила
Робот с революционным запалом Робот с революционным запалом

Как челябинскому Заводу роботов совершил революцию в отрасли робототехники

Монокль
Открыть в приложении