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

Кавказские бородачи Кавказские бородачи

Одна из визитных карточек Кавказа — орлы или грифы. Но разве только они?!

Наука и жизнь
Юрий Кузнецов: «Зарабатывать деньги меня учили Абдулов и Миронов» Юрий Кузнецов: «Зарабатывать деньги меня учили Абдулов и Миронов»

В театре завидовали: Кузнецов провинциал, а все снимается и снимается!

Караван историй
Хозяин порта Хозяин порта

Фантастический рассказ Роберта Чамберса «Хозяин порта»

Наука и жизнь
Как работают слабослышащие таксисты: интервью Как работают слабослышащие таксисты: интервью

Слабослышащий водитель такси — о самых любимых пассажирах и безбилетниках

Maxim
«Мы просто друзья»: почему у многих пар отношения начинаются с дружбы «Мы просто друзья»: почему у многих пар отношения начинаются с дружбы

Насколько распространены отношения, выросшие из дружбы?

Psychologies
Резерв на будущее Резерв на будущее

Как развиваются технологии хранения энергии

РБК
Храп — это нормально, а прививки вызывают аутизм: мифы о здоровье, в которые многие продолжают верить Храп — это нормально, а прививки вызывают аутизм: мифы о здоровье, в которые многие продолжают верить

Устаревшие представления о здоровье, в которые мы до сих пор верим

ТехИнсайдер
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
Как сохранить уровень сахара в норме: 7 добрых советов Как сохранить уровень сахара в норме: 7 добрых советов

Простые рекомендации, которые помогут поддерживать оптимальный уровень сахара

ТехИнсайдер
Альберт Эйнштейн и Нильс Бор Альберт Эйнштейн и Нильс Бор

Элементы сравнительного жизнеописания Альберта Эйнштейна и Нильса Бора

Наука и жизнь
Строительство нового жилья: «Судьба льготной ипотеки определит будущее отрасли» Строительство нового жилья: «Судьба льготной ипотеки определит будущее отрасли»

Как можно ускорить строительство новых многоквартирных домов?

ФедералПресс
Гравитационные волны в атмосферах планет Гравитационные волны в атмосферах планет

Гравитационные волны и волны пространства-времени: в чем разница

Наука и жизнь
Зачем чипу родина Зачем чипу родина

Возврат к собственным разработкам возможен только через кризис

Монокль
От ситцевой до бриллиантовой: как называются разные годовщины свадеб и откуда взялись такие названия От ситцевой до бриллиантовой: как называются разные годовщины свадеб и откуда взялись такие названия

Годовщины свадьбы: с чем связаны их названия и какие не принято отмечать?

ТехИнсайдер
«Очень приличный император» «Очень приличный император»

Римский император Диоклетиан: тот, кто променял власть на капусту

Дилетант
Мегахейры – загадочные и удивительные «ракопауки» Мегахейры – загадочные и удивительные «ракопауки»

Мегахейры – «прототип креветки-богомола, созданный на базе аномалокариса»

Наука и техника
Важный гормон Важный гормон

Кортизол: за что отвечает и зачем он нужен?

Лиза
Уходящий уходит — и выигрывает Уходящий уходит — и выигрывает

Как прощаются в русском театре

Weekend
Поэт Алексей Никонов об альбоме «Последних танков в Париже» — «2084» Поэт Алексей Никонов об альбоме «Последних танков в Париже» — «2084»

Леха Никонов повествует историю создания альбома «2084» — от начала и до конца

СНОБ
10 самых полезных продуктов для сердца 10 самых полезных продуктов для сердца

Здоровье сердца во многом зависит от того, что лежит на нашей тарелке

Добрые советы
Смешанный стиль Смешанный стиль

Volkswagen, который пришел с Востока

Автопилот
«Я не в ресурсе»: 7 простых способов это исправить «Я не в ресурсе»: 7 простых способов это исправить

Как восполнить свой энергетический заряд, чтобы «быть в ресурсе»?

Psychologies
Вот сбитень! Вот горячий! Вот сбитень! Вот горячий!

Сбитень-сбитенёк — пьёт его щеголёк, пьёт-попивает, сам похваливает…

Наука и жизнь
Три короны Возрождения: Данте, Петрарка, Боккаччо Три короны Возрождения: Данте, Петрарка, Боккаччо

Что мы знаем о трех родоначальниках Возрождения: Данте, Петрарке, Боккаччо?

Знание – сила
«Немного солнца в холодной воде» «Немного солнца в холодной воде»

Почему янтарь может стоить больше, чем бриллиант?

Зеркало Мира
Царица наук… Царица наук…

Достижения российской астрономии за сто лет

Знание – сила
Сделай меня незаметно: как меняется отношение к пластической хирургии в наши дни Сделай меня незаметно: как меняется отношение к пластической хирургии в наши дни

Как модернизируется сегмент пластической хирургии?

Forbes
В определенных обстоятельствах В определенных обстоятельствах

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

OK!
Больше, чем орган слуха: насколько важны наши уши Больше, чем орган слуха: насколько важны наши уши

Как работают наши уши и какое влияние они оказали на развитие мировой культуры

Правила жизни
Ключ к красоте и ухоженности Ключ к красоте и ухоженности

На вопросы о лазерной эпиляции отвечает Ксения Филатова, врач-дермато-венеролог

Здоровье
Открыть в приложении