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

Рим и германцы Рим и германцы

Встреча с варварами потрясла Рим, заставив изменить организацию римской армии

Дилетант
«Роналду в дартсе»: как любитель фастфуда стал самым популярным спортсменом Британии «Роналду в дартсе»: как любитель фастфуда стал самым популярным спортсменом Британии

О слабости Люка к фастфуду и увлечении компьютерными играми

Forbes
Время Дракона. Весеннее небо Время Дракона. Весеннее небо

Созвездие Дракона — приполярное созвездие северного полушария

Наука и жизнь
Толькo для взрослых Толькo для взрослых

5 новогодних секс-сценариев, которые добавят перчинку в праздничную ночь

Лиза
Фонтан из бренди и частный концерт Майкла Джексона: 5 лучших вечеринок в истории Фонтан из бренди и частный концерт Майкла Джексона: 5 лучших вечеринок в истории

Лучшие вечеринки XX века: кто их организовывал, а кто был на них гостями?

ТехИнсайдер
Под знаком русской свастики Под знаком русской свастики

Иван Ильин печалился о том, что многое мешает развитию русского фашизма

Дилетант
«Финал — это место, где завязываются новые конфликты» «Финал — это место, где завязываются новые конфликты»

Вячеслав Курицын о последних главах «Войны и мира»

Weekend
А у нас в Рязани... А у нас в Рязани...

Не только грибы с глазами, но и масса всего интересного

Лиза
Популярно о почвах Популярно о почвах

Почему нельзя судить о почве по её верхнему слою?

Наука и техника
Как создать пространство для партнерства после рождения ребенка: 4 простых упражнения Как создать пространство для партнерства после рождения ребенка: 4 простых упражнения

Как избежать угасания эмоциональной связи после рождения ребенка?

Psychologies
Институт особого назначения Институт особого назначения

Какими исследованиями занимается Институт истории естествознания и техники?

Знание – сила
Под винным соусом Под винным соусом

Секрет, над которым бились столетиями: что делать, если любимая обиделась

VOICE
Давид против Голиафа Давид против Голиафа

«Изобретение концлагеря» начиналось в стране буров...

Знание – сила
Непоследний пациент Непоследний пациент

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

Weekend
Осторожно, мокрый пол: как Puma и Марк Кукурелья попытались обратить провал в шутку Осторожно, мокрый пол: как Puma и Марк Кукурелья попытались обратить провал в шутку

Провал Пумы: вышедший в новой обуви на поле Кукурелья дважды поскользнулся

Forbes
«Махнул пером – отдал сыграть...» «Махнул пером – отдал сыграть...»

Отнести ранние драматургические опыты Грибоедова к «комедийкам» будет неверно

Знание – сила
Синдром Маугли: что это такое в психологии, признаки и лечение Синдром Маугли: что это такое в психологии, признаки и лечение

Что такое синдром Маугли и как он проявляется у детей?

Psychologies
Лучшие мини-сериалы 2024 года, которые можно посмотреть за выходные Лучшие мини-сериалы 2024 года, которые можно посмотреть за выходные

Увлекательные истории с коротким сюжетом на пару вечеров

Maxim
Ромашка Ромашка

Весь день она вспоминала о Чифе и мысленно улыбалась ему

СНОБ
Непростой узелок Непростой узелок

О чем сообщают увеличенные лимфоузлы у ребенка?

Лиза
Почему мужчина не женится и как его к этому шагу подтолкнуть Почему мужчина не женится и как его к этому шагу подтолкнуть

Какие причины заставляют мужчину не жениться и как с ними справиться?

Psychologies
Русская Атлантида – город Молога Русская Атлантида – город Молога

История Тихвинской водной системы, по которому шло освоение Русского Севера

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
Рок-н-ролл из сказки Рок-н-ролл из сказки

Почему «музыкальная сказка» и имя композитора Геннадия Гладкова — синонимы

СНОБ
Жизнь до жизни Жизнь до жизни

Отношения мамы и ребёнка начинаются задолго до появления малыша на свет

Здоровье
«Я справлюсь быстрее сам»: какие установки лидера тормозят развитие бизнеса «Я справлюсь быстрее сам»: какие установки лидера тормозят развитие бизнеса

Порой, несмотря на все усилия, бизнес движется не туда. Почему так происходит?

Forbes
Вода — главный ресурс на Луне Вода — главный ресурс на Луне

Почему «лунная вода» важна для понимания происхождения жизни на Земле?

Зеркало Мира
Три сестры Три сестры

Вера Джусти: как успешно развивать семейный бизнес и не поссориться

Grazia
О науках естественных и не очень О науках естественных и не очень

Как выбраться из болота экономической неопределенности

Деньги
Альберт Эйнштейн и Нильс Бор Альберт Эйнштейн и Нильс Бор

Элементы сравнительного жизнеописания Альберта Эйнштейна и Нильса Бора

Наука и жизнь
Открыть в приложении