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

Первый резидент Кима Филби Первый резидент Кима Филби

Человек по имени Хиель Рейф сыграл немалую роль в истории разведки

Дилетант
Уолт-Стрит Уолт-Стрит

Может ли сказка быть бизнесом, а бизнес – сказкой? Взлет корпорации Disney

Правила жизни
Новая физика рождается под землёй Новая физика рождается под землёй

Приключение за неуловимой нейтрино в недра Баксанской нейтринной обсерватории

Наука и жизнь
Баланс сил между берегами Тайваньского пролива Баланс сил между берегами Тайваньского пролива

Руководство Китая не прибегнет к силовому варианту присоединения Тайваня

Обозрение армии и флота
Де Голль — ставка на «зеро» Де Голль — ставка на «зеро»

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

Дилетант
«Меня обходили стороной, словно смерть заразна»: история женщины, потерявшей дочь «Меня обходили стороной, словно смерть заразна»: история женщины, потерявшей дочь

Личная история проживания горя утраты

Psychologies
Зачем суровые древнегерманские воины носили с собой маленькие ложечки Зачем суровые древнегерманские воины носили с собой маленькие ложечки

Странный артефакт, сопровождавший воинов Римской империи практически всю жизнь

ТехИнсайдер
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
Изба-читальня Изба-читальня

10 способов обустроить домашнюю библиотеку

Лиза
«Мы готовы и хотим развиваться» «Мы готовы и хотим развиваться»

Директор компании «ГТ Энерго» — о перспективах распределенной энергетики

Монокль
Радужные перспективы Радужные перспективы

Увидеть радугу посреди зимы – добрая примета. Но что именно она сулит?

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

Вячеслав Курицын о последних главах «Войны и мира»

Weekend
Грустная дива: как оперная певица Мария Каллас покорила мир и лишилась голоса Грустная дива: как оперная певица Мария Каллас покорила мир и лишилась голоса

Трагичная история оперной дивы Марии Каллас, которая так и не нашла любви

Forbes
«Грозы сии пойдут во славу России» «Грозы сии пойдут во славу России»

Ушаков не потерял в боях ни одного корабля, не потерпел ни одного поражения

Зеркало Мира
Смешанный стиль Смешанный стиль

Volkswagen, который пришел с Востока

Автопилот
Любимые места микробов: 10 самых негигиеничных вещей Любимые места микробов: 10 самых негигиеничных вещей

Как долго микробы сохраняются на различных поверхностях?

ТехИнсайдер
Юра, мы все развенчали Юра, мы все развенчали

«Мифология советского космоса»: деконструкция космического нарратива

Weekend
Спасаем ваши пальцы: чем отмыть руки от суперклея Спасаем ваши пальцы: чем отмыть руки от суперклея

Как удалить суперклей с кожи подручными средствами?

ТехИнсайдер
30 лет в борьбе за людей: как развивался региональный парламентаризм в России 30 лет в борьбе за людей: как развивался региональный парламентаризм в России

Как развивался местный парламентаризм в России и каковы пути его развития

ФедералПресс
Тройное открытие Тройное открытие

Что это – трикладушка? Гармошка? Складной планшет?

ТехИнсайдер
Уходящий уходит — и выигрывает Уходящий уходит — и выигрывает

Как прощаются в русском театре

Weekend
Русская Атлантида – город Молога Русская Атлантида – город Молога

История Тихвинской водной системы, по которому шло освоение Русского Севера

Знание – сила
Фудблогинг Фудблогинг

Среди разнообразия страниц соцсетей блоги о еде пользуются особой популярностью

Здоровье
Где живут люди-рыбы Где живут люди-рыбы

В Юго-Восточной Азии живут люди, не представляющие себя без моря и свободы

Зеркало Мира
Целлюлит победить легче, чем кажется — вот что тебе поможет Целлюлит победить легче, чем кажется — вот что тебе поможет

Целлюлит — косметический дефект, не понаслышке знакомый 90% женщин

VOICE
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
4 ситуации, когда передаривать подарки даже нужно, — и как правильно это делать 4 ситуации, когда передаривать подарки даже нужно, — и как правильно это делать

По этикету, вручить ненужные презенты другому человеку еще как можно

ТехИнсайдер
Три мира Три мира

Духи этих мест приглашают за хлебосольный стол дархана, настоящего Мастера

Seasons of life
Зарождение гидроавиации Зарождение гидроавиации

Как воплощали идею самолета, способного взлетать с водной поверхности

Знание – сила
Инвесторы здесь не ходят Инвесторы здесь не ходят

Абхазия: экономика и инвестиции

Монокль
Открыть в приложении