ведут...
11.11.2011, ПТ, 15:58, МскБольшинство материалов расширяются при нагревании, но существуют несколько уникальных веществ, которые ведут себя по-другому. Инженеры Калифорнийского технологического института впервые выяснили, каким образом один из этих любопытных материалов, трифторид скандия (ScF3), сжимается при нагревании.
Это открытие приведет к более глубокому пониманию поведения всех видов веществ, а также позволит создавать новые материалы с уникальными свойствами. Материалы, которые не расширяются при нагревании, - не просто научная диковинка. Они полезны в самых разных сферах, например, в высокоточных механизмах вроде часов, которые должны сохранять высокую точность хода даже при колебаниях температуры.
Когда нагревают твердые материалы, большая часть тепла уходит на колебания атомов. В обычных материалах эти колебания «раздвигают» атомы, в результате чего материал расширяется. Однако некоторые вещества имеют уникальные кристаллические структуры, которые заставляют их сокращаться при нагревании. Это свойство называется отрицательным тепловым расширением. К сожалению, эти кристаллические структуры очень сложны, и ученые до сих пор были не в состоянии увидеть, каким образом колебания атомов приводят к сокращению размеров материала.
Ошибка 404. Не удаётся найти страницу.
Возможно, это случилось по одной из этих причин:
– ошибка при наборе адреса страницы (URL)
– переход по «битой» (неработающей, неправильной) ссылке
– запрашиваемой страницы никогда не было на сайте или она была удалена
Вы можете:
– вернуться назад при помощи кнопки браузера Назад (Back)
– проверить правильность написания адреса страницы (URL)
– воспользоваться картой сайта или перейти на главную страницу
Ситуация изменилась благодаря открытию в 2010 году отрицательного теплового расширения у ScF3, порошкообразного вещества с относительно простой кристаллической структурой. Чтобы выяснить, как его атомы вибрируют под воздействием высокой температуры, американские ученые использовали компьютер для моделирования поведения каждого атома. Также свойства материала изучались в нейтронной лаборатории комплекса ORNL в штате Теннеси.
Результаты исследования впервые дали четкую картину того, как сжимается материал. Для того чтобы понять этот процесс, нужно представить атомы скандия и фтора шарами, соединенными друг с другом пружинами. Более легкий атом фтора связан с двумя более тяжелыми атомами скандия. При повышении температуры все атомы начинают раскачиваться в нескольких направлениях, но из-за линейного расположения атома фтора и двух атомов скандия первый больше вибрирует в направлениях, перпендикулярных пружинам. С каждым колебанием фтор притягивает атомы скандия друг к другу. Поскольку это происходит по всему материалу, он сокращается в размерах.
Наибольшее удивление вызвал тот факт, что при сильных колебаниях энергия атома фтора пропорциональна четвертой степени перемещения (колебание четвертой степени или биквадратное колебание). При этом для большинства материалов характерны гармонические (квадратичные) колебания, такие как возвратно-поступательное движение пружин и маятников.
По заявлению авторов открытия, практически чистый квантовый оссцилятор четвертой степени никогда до этого не был зафиксирован в кристаллах. Это означает, что изучение ScF3 в перспективе позволит создать материалы с уникальными тепловыми свойствами.
Изменение линейных размеров тела при нагревании пропорционально изменению температуры.
Подавляющее большинство веществ при нагревании расширяется. Это легко объяснимо с позиции механической теории теплоты , поскольку при нагревании молекулы или атомы вещества начинают двигаться быстрее. В твердых телах атомы начинают с большей амплитудой колебаться вокруг своего среднего положения в кристаллической решетке, и им требуется больше свободного пространства. В результате тело расширяется. Так же и жидкости и газы, по большей части, расширяются с повышением температуры по причине увеличения скорости теплового движения свободных молекул (см. Закон Бойля—Мариотта , Закон Шарля , Уравнение состояния идеального газа).
Основной закон теплового расширения гласит, что тело с линейным размером L в соответствующем измерении при увеличении его температуры на ΔТ расширяется на величину ΔL , равную:
ΔL = αL ΔT
где α — так называемый коэффициент линейного теплового расширения. Аналогичные формулы имеются для расчета изменения площади и объема тела. В приведенном простейшем случае, когда коэффициент теплового расширения не зависит ни от температуры, ни от направления расширения, вещество будет равномерно расширяться по всем направлениям в строгом соответствии с вышеприведенной формулой.
Для инженеров тепловое расширение — жизненно важное явление. Проектируя стальной мост через реку в городе с континентальным климатом, нельзя не учитывать возможного перепада температур в пределах от —40°C до +40°C в течение года. Такие перепады вызовут изменение общей длины моста вплоть до нескольких метров, и, чтобы мост не вздыбливался летом и не испытывал мощных нагрузок на разрыв зимой, проектировщики составляют мост из отдельных секций, соединяя их специальными термическими буферными сочленениями , которые представляют собой входящие в зацепление, но не соединенные жестко ряды зубьев, которые плотно смыкаются в жару и достаточно широко расходятся в стужу. На длинном мосту может насчитываться довольно много таких буферов.
Однако не все материалы, особенно это касается кристаллических твердых тел, расширяются равномерно по всем направлениям. И далеко не все материалы расширяются одинаково при разных температурах. Самый яркий пример последнего рода — вода. При охлаждении вода сначала сжимается, как и большинство веществ. Однако, начиная с +4°C и до точки замерзания 0°C вода начинает расширяться при охлаждении и сжиматься при нагревании (с точки зрения приведенной выше формулы можно сказать, что в интервале температур от 0°C до +4°C коэффициент теплового расширения воды α принимает отрицательное значение). Именно благодаря этому редкому эффекту земные моря и океаны не промерзают до дна даже в самые сильные морозы: вода холоднее +4°C становится менее плотной, чем более теплая, и всплывает к поверхности, вытесняя ко дну воду с температурой выше +4°C.
То, что лед имеет удельную плотность ниже плотности воды, — еще одно (хотя и не связанное с предыдущим) аномальное свойство воды, которому мы обязаны существованием жизни на нашей планете. Если бы не этот эффект, лед шел бы ко дну рек, озер и океанов, и они, опять же, вымерзли бы до дна, убив всё живое.
Большинство материалов расширяются при нагревании, но существуют несколько уникальных веществ, которые ведут себя по-другому. Инженеры Калифорнийского технологического института впервые выяснили, каким образом один из этих любопытных материалов, трифторид скандия (ScF3), сжимается при нагревании.
Это открытие приведет к более глубокому пониманию поведения всех видов веществ, а также позволит создавать новые материалы с уникальными свойствами. Материалы, которые не расширяются при нагревании, - не просто научная диковинка. Они полезны в самых разных сферах, например, в высокоточных механизмах вроде часов, которые должны сохранять высокую точность хода даже при колебаниях температуры.
Когда нагревают твердые материалы, большая часть тепла уходит на колебания атомов. В обычных материалах эти колебания «раздвигают» атомы, в результате чего материал расширяется. Однако некоторые вещества имеют уникальные кристаллические структуры, которые заставляют их сокращаться при нагревании. Это свойство называется отрицательным тепловым расширением. К сожалению, эти кристаллические структуры очень сложны, и ученые до сих пор были не в состоянии увидеть, каким образом колебания атомов приводят к сокращению размеров материала.
Ситуация изменилась благодаря открытию в 2010 году отрицательного теплового расширения у ScF3, порошкообразного вещества с относительно простой кристаллической структурой. Чтобы выяснить, как его атомы вибрируют под воздействием высокой температуры, американские ученые использовали компьютер для моделирования поведения каждого атома. Также свойства материала изучались в нейтронной лаборатории комплекса ORNL в штате Теннеси.
Результаты исследования впервые дали четкую картину того, как сжимается материал. Для того чтобы понять этот процесс, нужно представить атомы скандия и фтора шарами, соединенными друг с другом пружинами. Более легкий атом фтора связан с двумя более тяжелыми атомами скандия. При повышении температуры все атомы начинают раскачиваться в нескольких направлениях, но из-за линейного расположения атома фтора и двух атомов скандия первый больше вибрирует в направлениях, перпендикулярных пружинам. С каждым колебанием фтор притягивает атомы скандия друг к другу. Поскольку это происходит по всему материалу, он сокращается в размерах.
Наибольшее удивление вызвал тот факт, что при сильных колебаниях энергия атома фтора пропорциональна четвертой степени перемещения (колебание четвертой степени или биквадратное колебание). При этом для большинства материалов характерны гармонические (квадратичные) колебания, такие как возвратно-поступательное движение пружин и маятников.
По заявлению авторов открытия, практически чистый квантовый оссцилятор четвертой степени никогда до этого не был зафиксирован в кристаллах. Это означает, что изучение ScF3 в перспективе позволит создать материалы с уникальными тепловыми свойствами.
При равномерном нагревании однородного тела оно не разрушается, но неравномерный нагрев может вызвать значительные механические напряжения (внутренние нагрузки). Например, стеклянная бутылка или стакан из толстого стекла могут лопнуть, если налить в них горячей воды. Почему? В первую очередь происходит нагрев внутренних частей сосуда, соприкасающихся с горячей водой. Они расширяются и оказывают сильное давление на внешние холодные части этого же сосуда. Тонкий же стакан не лопается при наливании в него горячей воды, так как его внутренняя и внешняя части быстро и почти одномоментно прогреваются.
Разнородные материалы, подвергающиеся периодическому нагреванию и охлаждению, следует соединять вместе только тогда, когда их размеры при изменении температуры меняются одинаково (вещества имеют аналогичные коэффициенты). Это особенно важно при больших размерах изделий. Так, например, железо и бетон при нагревании расширяются одинаково. Именно поэтому широкое распространение получил железобетон – затвердевший бетонный раствор, залитый в стальную решётку. Если бы железо и бетон расширялись по-разному, то в результате суточных и годовых колебаний температуры железобетонное сооружение вскоре бы разрушилось.
Ещё несколько примеров. Металлические проводники, впаянные в стеклянные баллоны электроламп и радиоламп, делают из сплава железа и никеля, имеющего такой же коэффициент расширения, как и стекло, иначе при нагревании металла стекло треснуло бы. Эмаль, которой покрывают посуду, и металл, из которого эта посуда изготовляется, должны иметь одинаковые коэффициенты линейного расширения. В противном случае эмаль будет лопаться при нагревании и охлаждении покрытой ею посуды.
Тепловое расширение тел находит широкое применение в технике. Приведем лишь несколько примеров. Две разнородные пластины (например, железная и медная), сваренные или «склёпанные» вместе, образуют так называемую биметаллическую пластину. При нагревании такие пластины изгибаются вследствие того, что одна расширяется сильнее другой. Та из полосок (медная), которая расширяется больше, оказывается всегда с выпуклой стороны.
Это свойство биметаллических пластин широко используется для измерения температуры и её регулирования. Металлический термометр имеет спираль, сделанную из двух полос различных металлов, сваренных (или склёпанных) друг с другом. Один из этих металлов расширяется при нагревании сильнее, чем другой. Вследствие одностороннего расширения спираль развёртывается, и указатель смещается по шкале вправо. При охлаждении спираль снова скручивается и указатель отходит по шкале влево.
(C) 2012. Савинкова Галина Львовна (г. Самара)