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

Семинарист, журналист, революционер Семинарист, журналист, революционер

У Булгакова Петлюра предстаёт персонажем мистическим, почти Антихристом

Дилетант
Во имя отца и сына Во имя отца и сына

Эволюция российских пап

Men Today
Крестовый психоз бедноты Крестовый психоз бедноты

Крестовый поход бедноты запомнился грабежами и массовыми убийствами

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

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

Наука и техника
Кто такая Парасту Ахмади — иранская певица, которой грозит смертная казнь за пение и отсутствие хиджаба Кто такая Парасту Ахмади — иранская певица, которой грозит смертная казнь за пение и отсутствие хиджаба

Парасту Ахмади была арестована за то, что нарушила иранские законы

Psychologies
Шаг за шагом до Европы Шаг за шагом до Европы

Как на спутнике Юпитера Европе будут искать внеземные организмы

ТехИнсайдер
Роботы теснят программистов Роботы теснят программистов

Какие факторы провоцируют нарастающую волну увольнений специалистов в сфере IT

Монокль
Марина Мнишек и ее мужья Марина Мнишек и ее мужья

Марина Мнишек – царица всея Руси и первая коронованная в Российском государстве

Знание – сила
Бот из машины Бот из машины

Как биороботы оживают и меняют мир технологий

РБК
Сверхзнание боли Сверхзнание боли

Как Даниил Андреев увидел невидимые миры и что он в них нашел

Weekend
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
Покупай, подорожало Покупай, подорожало

Российский авторынок идет на рекорд

Деньги
Видеосалонное искусство Видеосалонное искусство

«На расстоянии удара»: оммаж «Кровавому спорту» 35 лет спустя

Weekend
Рацион cтройности Рацион cтройности

Диета, которая точно пригодится до и после новогодних праздников

Лиза
Пять прелюдий о Грибоедове Пять прелюдий о Грибоедове

Грибоедовский миф занимает особое место среди других литературных мифов

Знание – сила
Председатель Магаданской областной думы: «Работаем ради результата и решаем поставленные вопросы» Председатель Магаданской областной думы: «Работаем ради результата и решаем поставленные вопросы»

Какие задачи стоят перед депутатами Магаданской областной думы?

ФедералПресс
Астрономы впервые отыскали двойную звезду вблизи сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути Астрономы впервые отыскали двойную звезду вблизи сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути

Астрономы обнаружили двойную звездную систему вблизи черной дыры Стрелец А*

N+1
Банкир всех штатов Банкир всех штатов

Как Амадео Джаннини создал Bank of America

Деньги
25 «говорящих» табличек 25 «говорящих» табличек

На каком языке говорили на острове Пасхи, и что такое таблички ронго-ронго?

Зеркало Мира
Дикая женщина, суперженщина и сестра: как вернуть себе целостность Дикая женщина, суперженщина и сестра: как вернуть себе целостность

Истинная женская сила проистекает не из соперничества, а из солидарности

Psychologies
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
Большая история маленького самолета. Часть 2 Большая история маленького самолета. Часть 2

Через призму суперджета смотрим на российский авиапром в новейшем времени

Наука и техника
«Ангел с черным крылом»: роман о воровке, которая учится спасать жизни «Ангел с черным крылом»: роман о воровке, которая учится спасать жизни

Отрывок из авантюрного романа Аманды Скенандор «Ангел с черным крылом»

Forbes
Срамота в глазах смотрящего Срамота в глазах смотрящего

«Партенопа»: Паоло Соррентино показывает красивое

Weekend
Великое наследие македонского царя Великое наследие македонского царя

Как происходило слияние культур после захвата Персии Александром Македонским

Знание – сила
Австралийская овчарка — умная и активная Австралийская овчарка — умная и активная

Австралийская овчарка, или аусси, — пастушья порода собак

Наука и жизнь
О Юрии Никулине. Великий клоун О Юрии Никулине. Великий клоун

Татьяна могла бы и сама стать известной актрисой, но Никулин не позволил

Коллекция. Караван историй
Залечь на дно в Белфасте Залечь на дно в Белфасте

«Ничего не говори»: история ирландских террористов, рассказанная ими самими

Weekend
Выборочные инвестиции Выборочные инвестиции

Вложения в фонды акций за год выросли почти в пять раз

Деньги
Не каждая тарелка — летающая Не каждая тарелка — летающая

Феномен НЛО: правда или вымысел?

Зеркало Мира
Открыть в приложении