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

Первобытные домостроители Первобытные домостроители

Домостроительство, безусловно, одно из наиболее ранних умений человека

Знание – сила
Всё это приключилось Всё это приключилось

Реальные истории о самых странных и счастливых праздниках

Новый очаг
Наука о чужих. Жизнь и разум во Вселенной Наука о чужих. Жизнь и разум во Вселенной

Веками учёные настойчиво искали «космическое чудо»

Наука и жизнь
«Все будут бороться с таргетом» «Все будут бороться с таргетом»

Экономист Дмитрий Адамидов — почему инфляционное таргетирование захватило мир

Монокль
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
Фатима Дзгоева: «Многие ищут средство Макропулоса, только не от старения, а для похудения. Но его ещё никто не придумал, оно в нас самих» Фатима Дзгоева: «Многие ищут средство Макропулоса, только не от старения, а для похудения. Но его ещё никто не придумал, оно в нас самих»

Фатима Дзгоева об ожирении, воспалительных клетках и ИМТ

Здоровье
У Яниса Тиммы была маскированная депрессия? Как вовремя заметить невидимую боль близкого У Яниса Тиммы была маскированная депрессия? Как вовремя заметить невидимую боль близкого

Почему человек может маскировать свое депрессивное состояние?

Psychologies
Габриэле Д’Аннунцио Габриэле Д’Аннунцио

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

Дилетант
Шарик, стрелки, космонавт Шарик, стрелки, космонавт

Рассказ Алексея Сальникова о Новом годе и украшении елки

Правила жизни
Назад в будущее: почему IT-гиганты стали инвестировать миллиарды в атомную энергию Назад в будущее: почему IT-гиганты стали инвестировать миллиарды в атомную энергию

Почему корпорации ищут спасение «старом» атоме и причем тут ИИ?

Forbes
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
Бог есть свет: Дмитрий Лукьянов «Год в Чувашии» Бог есть свет: Дмитрий Лукьянов «Год в Чувашии»

Глава из романа Дмитрия Лукьянова «Год в Чувашии»

СНОБ
«В русской литературе финалом по большей части является тоска» «В русской литературе финалом по большей части является тоска»

Любовь Аркус о том, что делает финалы великими

Weekend
3,5 тонны роскоши 3,5 тонны роскоши

Китайский внедорожник TANK 700 очень большой, очень тихий и очень мощный

ТехИнсайдер
Турецкий экспорт вооружений Турецкий экспорт вооружений

Состояние и перспективы развития турецкого экспорта вооружений

Обозрение армии и флота
Райан Рейнольдс. Интервью, которого не было Райан Рейнольдс. Интервью, которого не было

Мы сначала играем что-то на экране, а потом это случается с нами в жизни...

Караван историй
Нерентабельный перелет Нерентабельный перелет

Почему одни дрозды улетают, а другие остаются? Результаты исследования ученых

Знание – сила
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
Новогодний сюрприз Новогодний сюрприз

Борис Николаевич Ельцин был горазд на сюрпризы

Дилетант
Джуны нужны: неочевидные преимущества молодых айтишников и почему их не заменит ИИ Джуны нужны: неочевидные преимущества молодых айтишников и почему их не заменит ИИ

Работодателям имеет смысл вкладываться в развитие начинающих IT-специалистов

Inc.
Бот из машины Бот из машины

Как биороботы оживают и меняют мир технологий

РБК
Шаг за шагом до Европы Шаг за шагом до Европы

Как на спутнике Юпитера Европе будут искать внеземные организмы

ТехИнсайдер
Давид против Голиафа Давид против Голиафа

«Изобретение концлагеря» начиналось в стране буров...

Знание – сила
Спикер ЗС Красноярского края Алексей Додатко: «Краевой парламент — площадка для общественного диалога» Спикер ЗС Красноярского края Алексей Додатко: «Краевой парламент — площадка для общественного диалога»

Как сегодня выстроены отношения депутатов с краевым правительством?

ФедералПресс
Сексизм, киднеппинг и гусеница-наркоманка — за что критикуют вселенную Диснея Сексизм, киднеппинг и гусеница-наркоманка — за что критикуют вселенную Диснея

Какие картины студии Disney вызывали недовольство публики?

СНОБ
«Вайб», brain rot и manifest: как слова 2024 года отражают наши страхи и надежды «Вайб», brain rot и manifest: как слова 2024 года отражают наши страхи и надежды

Как через слова люди реагируют на текущие вызовы и изменения?

Forbes
Границы ключ Границы ключ

Как далеко можно пускать к себе мужчину на разных этапах отношений?

VOICE
Залечь на дно в Белфасте Залечь на дно в Белфасте

«Ничего не говори»: история ирландских террористов, рассказанная ими самими

Weekend
Насквозь Насквозь

Что это за сказка, в которой нет волшебника или хотя бы доброй феи?

СНОБ
Меня греет только батарея: форматы отношений, где нет любви Меня греет только батарея: форматы отношений, где нет любви

Как найти любовь?

Men Today
Открыть в приложении