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

Африканская пропасть Африканская пропасть

Англо-бурская война как историческая неизбежность

Знание – сила
Следующее желание Следующее желание

В этой новогодней истории встретились две главные темы – Байкал и Новый год

Seasons of life
Душистые травы прованса Душистые травы прованса

Любители вкусно покушать при упоминании Прованса вспоминают прованские травы

Наука и жизнь
Непоследний пациент Непоследний пациент

«13 клиническая. Начало»: история установления контактов генсеков с демонами

Weekend
Ольга Бузова: «Мне не нужен ураган в душе. Мне по кайфу штиль» Ольга Бузова: «Мне не нужен ураган в душе. Мне по кайфу штиль»

Ольга Бузова: как продолжить верить людям, несмотря на прошлый негативный опыт

Добрые советы
Царица наук… Царица наук…

Достижения российской астрономии за сто лет

Знание – сила
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
Как выбрать бэушный автомобиль с оптимальным пробегом: правило 1-2-3 Как выбрать бэушный автомобиль с оптимальным пробегом: правило 1-2-3

Какой пробег считать нормальным в зависимости от возраста машины?

ТехИнсайдер
Инвесторы здесь не ходят Инвесторы здесь не ходят

Абхазия: экономика и инвестиции

Монокль
Глобальное осушение: можно ли избежать войн за пресную воду Глобальное осушение: можно ли избежать войн за пресную воду

Спрос на пресную воду растет, а ее количество, похоже, уменьшается

Forbes
В определенных обстоятельствах В определенных обстоятельствах

Светлана Иванова с дочерьми Полиной и Мирой впервые снималась для глянца!

OK!
В цветах Поднебесной В цветах Поднебесной

В этом интерьере дизайнеру удалось передать характер хозяина квартиры

Идеи Вашего Дома
Вечность пахнет нефтью Вечность пахнет нефтью

«Лэндмен»: нефтедобытчики куют американскую мечту

Weekend
Ожидания акций Ожидания акций

Что принесет 2025 год российскому финансовому рынку

Деньги
Превратности распада Превратности распада

После смерти царя Ирода Великого в Иудее вспыхнули нескончаемые беспорядки

Знание – сила
«Я не тороплюсь рассказывать, сколько мне лет»: как проявляется эйджизм при найме «Я не тороплюсь рассказывать, сколько мне лет»: как проявляется эйджизм при найме

Что такое «янгизм» и почему возраст сотрудника — не главное?

Forbes
Анжелина Воронцова: «Красивые линии, музыкальность и способность передавать телом эмоции — то, чем русский балет покорил мир» Анжелина Воронцова: «Красивые линии, музыкальность и способность передавать телом эмоции — то, чем русский балет покорил мир»

Прима-балерина Михайловского театра — о феномене «Щелкунчика»

СНОБ
Древние джентльмены удачи Древние джентльмены удачи

Анархисты и разбойники Древнего мира – хапиру

Знание – сила
Русская Атлантида – город Молога Русская Атлантида – город Молога

История Тихвинской водной системы, по которому шло освоение Русского Севера

Знание – сила
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
Мир после мира Мир после мира

Какой мир принесло завершение англо-бурской войны на юг Африки?

Знание – сила
Я с тобой Я с тобой

Оксана Лаврентьева доказывает, что настоящую любовь два человека создают сами

VOICE
От Бронте до Агаты Кристи: писательница Бьянка Питцорно о роли женщин в литературе От Бронте до Агаты Кристи: писательница Бьянка Питцорно о роли женщин в литературе

Писательница Бьянка Питцорно рассуждает об авторах-женщинах

Forbes
Де Голль — ставка на «зеро» Де Голль — ставка на «зеро»

Шарль де Голль: пятая республика, сильная власть, отставка правительства

Дилетант
Грани и границы Грани и границы

Петр Рыков играет на грани

Men Today
Психологический портрет: что такое обсессивно-компульсивное расстройство, или ОКР Психологический портрет: что такое обсессивно-компульсивное расстройство, или ОКР

Что такое ОКР, как проявляется диагноз и можно ли от него избавиться

Forbes
Искусственный интеллект освоил 3D-печать Искусственный интеллект освоил 3D-печать

Аддитивные технологии включаются в производство высокотехнологичных изделий

Монокль
Нация и коллаборация Нация и коллаборация

50 лет «Лакомбу Люсьену» Луи Маля

Weekend
Нарисуем — будем жить! Нарисуем — будем жить!

3D-принтеры: прошлое, настоящее и космическое будущее

Зеркало Мира
Ученые рассказали, почему пенсионеры чаще страдают из-за финансовых мошенников Ученые рассказали, почему пенсионеры чаще страдают из-за финансовых мошенников

Как можно сохранить финансовую грамотность и независимость в пожилом возрасте?

ТехИнсайдер
Открыть в приложении