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

Австралийская овчарка — умная и активная Австралийская овчарка — умная и активная

Австралийская овчарка, или аусси, — пастушья порода собак

Наука и жизнь
«Черные лебеди» — 2025 «Черные лебеди» — 2025

Главные риски для финансовых рынков в 2025 году

Деньги
Восход и закат Великой Восход и закат Великой

«Золотой век» дворянства, крепостной гнет и реформы царствования Екатерины II

Знание – сила
Как развивают градостроительный потенциал в регионах России Как развивают градостроительный потенциал в регионах России

Как на самом деле обстоят дела с развитием инфраструктуры в регионах

ФедералПресс
Что бы такого ре-анимирировать Что бы такого ре-анимирировать

Герои отечественных мультфильмов, не нуждающихся в оживлении

Weekend
Камчатка: необычному региону — необычные законы Камчатка: необычному региону — необычные законы

Приоритеты деятельности регионального камчатского парламента

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
Выборочные инвестиции Выборочные инвестиции

Вложения в фонды акций за год выросли почти в пять раз

Деньги
Каникулы новой жизни Каникулы новой жизни

Как не превратить новогодние каникулы в пытку бездельем и обжорством

Лиза
Он мне изменяет? Он мне изменяет?

Неочевидные способы распознать обман партнера

Лиза
Анастасия Вертинская: «Главное, что я выстояла» Анастасия Вертинская: «Главное, что я выстояла»

Когда ты встаешь на какую-то определенную дорогу, нельзя быть трусом

Коллекция. Караван историй
Первые 50 лет одиночества Первые 50 лет одиночества

Первая экранизация главного романа Маркеса

Weekend
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
Бородатый рейс — о чем говорят мужчины на приеме у косметолога и пластического хирурга Бородатый рейс — о чем говорят мужчины на приеме у косметолога и пластического хирурга

Почему мужчины все чаще обращаются к косметологам и хирургам

СНОБ
Государь всея Руси Государь всея Руси

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

Знание – сила
Вперед, к природе! Вперед, к природе!

Зимняя вечеринка на даче: как все устроить за три дня

Лиза
Как мужчины с Ближнего Востока используют подводку для глаз из сурьмы и портят себе глаза Как мужчины с Ближнего Востока используют подводку для глаз из сурьмы и портят себе глаза

Кохль — не просто косметическое средство, а символ культурной идентичности

ТехИнсайдер
Лучшие открытые концовки в кинофильмах Лучшие открытые концовки в кинофильмах

Фильмы, которые невероятно красиво оставляют зрителя с незаконченной историей

Maxim
Основатели Simple — о 30-летии бренда и планах на будущее Основатели Simple — о 30-летии бренда и планах на будущее

Основатели Simple — зачем нужно покупать вино, разлитое в год рождения детей

РБК
Поднять китеж Поднять китеж

Чем в разные эпохи была сказка для людей, которые ее рисовали

Правила жизни
Нечеловеческим животным отказали в чувстве справедливости Нечеловеческим животным отказали в чувстве справедливости

Ученые не обнаружили у животных непринятия несправедливости

N+1
Кочек нет – но рессоры нужны. Тележки локомотивов и вагонов Кочек нет – но рессоры нужны. Тележки локомотивов и вагонов

Подробно о рессорах, колесных парах и тележках электровозов

Наука и техника
Каким он парнем был Каким он парнем был

«Ученик»: экранизация первых шагов Дональда Трампа в бизнесе

Дилетант
«Песнь клетки: Медицинские исследования и новый человек» «Песнь клетки: Медицинские исследования и новый человек»

Что переносит система циркуляции крови

N+1
«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
Променад по выставке с картинками: лучшие музыкальные произведения, вдохновленные живописью Променад по выставке с картинками: лучшие музыкальные произведения, вдохновленные живописью

Удивительные примеры музыки, навеянной живописью

СНОБ
Око за око, или секреты человеческого глаза Око за око, или секреты человеческого глаза

Хорошо ли мы знаем, как работает наше зрение?

Зеркало Мира
Сорт-гигант: откуда в магазинах появился виноград без косточек, размером с мяч для пинг-понга Сорт-гигант: откуда в магазинах появился виноград без косточек, размером с мяч для пинг-понга

В чем секрет размеров гигантского винограда сорта «Шайн Мускат»?

ТехИнсайдер
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
Океан белковых структур Океан белковых структур

Белки выполняют львиную долю той работы, которая необходима живым организмам

Наука и жизнь
Открыть в приложении