رهبری...
11.11.2011، جمعه، 15:58، به وقت مسکوبیشتر مواد هنگام گرم شدن منبسط می شوند، اما چند ماده منحصر به فرد وجود دارد که رفتار متفاوتی دارند. مهندسان کلتک برای اولین بار کشف کردند که چگونه یکی از این مواد جذاب، اسکاندیم تری فلوراید (ScF3) هنگام گرم شدن منقبض می شود.
این کشف منجر به درک عمیق تری از رفتار همه انواع مواد می شود و همچنین امکان ایجاد مواد جدید با خواص منحصر به فرد را فراهم می کند. موادی که با گرم شدن منبسط نمی شوند فقط یک کنجکاوی علمی نیستند. آنها در کاربردهای مختلفی مانند مکانیسم‌های با دقت بالا مانند ساعت‌ها مفید هستند که حتی در زمان نوسان دما نیز باید دقت بالایی داشته باشند.
هنگامی که مواد جامد گرم می شوند، بیشتر گرما در اثر ارتعاشات اتمی از بین می رود. در مواد معمولی، این ارتعاشات اتم ها را از هم جدا می کند و باعث انبساط مواد می شود. با این حال، برخی از مواد ساختارهای کریستالی منحصر به فردی دارند که باعث می شود در هنگام گرم شدن، منقبض شوند. به این خاصیت انبساط حرارتی منفی می گویند. متأسفانه، این ساختارهای کریستالی بسیار پیچیده هستند و دانشمندان تاکنون قادر به مشاهده چگونگی ارتعاشات اتمی باعث کوچک شدن اندازه مواد نشده اند.
خطای 404: صفحه پیدا نمی شود.
این ممکن است به یکی از دلایل زیر رخ داده باشد:
– خطا هنگام تایپ آدرس صفحه (URL)
- دنبال کردن یک پیوند "شکسته" (غیر کار، نادرست).
– صفحه درخواستی هرگز در سایت نبوده یا حذف شده است
تو می توانی:
- با استفاده از دکمه بازگشت مرورگر به عقب برگردید
- املای صحیح آدرس صفحه (URL) را بررسی کنید
- از نقشه سایت استفاده کنید یا به صفحه اصلی بروید
این موضوع با کشف انبساط حرارتی منفی در ScF3 در سال 2010 تغییر کرد، یک ماده پودری با ساختار کریستالی نسبتا ساده. دانشمندان آمریکایی برای اینکه بفهمند اتم های آن هنگام قرار گرفتن در معرض گرما چگونه می لرزند، از یک کامپیوتر برای شبیه سازی رفتار هر اتم استفاده کردند. خواص این ماده همچنین در آزمایشگاه نوترون مجتمع ORNL در تنسی مورد مطالعه قرار گرفت.
نتایج این مطالعه برای اولین بار تصویر واضحی از نحوه فشرده شدن مواد ارائه کرد. برای درک این فرآیند، باید اتم های اسکاندیم و فلوئور را به صورت توپ هایی تصور کنید که توسط فنرها به یکدیگر متصل شده اند. اتم فلوئور سبک تر به دو اتم اسکاندیم سنگین تر متصل است. با افزایش دما، تمام اتم ها شروع به نوسان در چندین جهت می کنند، اما به دلیل آرایش خطی اتم فلوئور و دو اتم اسکاندیم، اتم اول بیشتر در جهت های عمود بر فنرها می لرزد. با هر ارتعاش، فلوئور اتم های اسکاندیم را به سمت یکدیگر جذب می کند. از آنجایی که این در سراسر ماده رخ می دهد، اندازه آن کوچک می شود.
بزرگترین شگفتی این واقعیت بود که در طول ارتعاشات قوی، انرژی اتم فلوئور با چهارمین توان جابجایی (ارتعاش قدرت چهارم یا ارتعاش دوطرفه) متناسب است. علاوه بر این، بیشتر مواد با ارتعاشات هارمونیک (مربع) مانند حرکت رفت و برگشتی فنرها و آونگ ها مشخص می شوند.
به گفته نویسندگان این کشف، یک نوسان ساز کوانتومی درجه چهار تقریباً خالص قبلاً هرگز در کریستال ها ثبت نشده است. این بدان معنی است که مطالعه ScF3 در آینده امکان ایجاد موادی با خواص حرارتی منحصر به فرد را فراهم می کند.
بیشتر مواد هنگام گرم شدن منبسط می شوند، اما چند ماده منحصر به فرد وجود دارد که رفتار متفاوتی دارند. مهندسان کلتک برای اولین بار کشف کردند که چگونه یکی از این مواد جذاب، اسکاندیم تری فلوراید (ScF3) هنگام گرم شدن منقبض می شود.
این کشف منجر به درک عمیق تری از رفتار همه انواع مواد می شود و همچنین امکان ایجاد مواد جدید با خواص منحصر به فرد را فراهم می کند. موادی که با گرم شدن منبسط نمی شوند فقط یک کنجکاوی علمی نیستند. آنها در کاربردهای مختلفی مانند مکانیسم‌های با دقت بالا مانند ساعت‌ها مفید هستند که حتی در زمان نوسان دما نیز باید دقت بالایی داشته باشند.
هنگامی که مواد جامد گرم می شوند، بیشتر گرما در اثر ارتعاشات اتمی از بین می رود. در مواد معمولی، این ارتعاشات اتم ها را از هم جدا می کند و باعث انبساط مواد می شود. با این حال، برخی از مواد ساختارهای کریستالی منحصر به فردی دارند که باعث می شود در هنگام گرم شدن، منقبض شوند. به این خاصیت انبساط حرارتی منفی می گویند. متأسفانه، این ساختارهای کریستالی بسیار پیچیده هستند و دانشمندان تاکنون قادر به مشاهده چگونگی ارتعاشات اتمی باعث کوچک شدن اندازه مواد نشده اند.
این موضوع با کشف انبساط حرارتی منفی در ScF3 در سال 2010 تغییر کرد، یک ماده پودری با ساختار کریستالی نسبتا ساده. دانشمندان آمریکایی برای اینکه بفهمند اتم های آن هنگام قرار گرفتن در معرض گرما چگونه می لرزند، از یک کامپیوتر برای شبیه سازی رفتار هر اتم استفاده کردند. خواص این ماده همچنین در آزمایشگاه نوترون مجتمع ORNL در تنسی مورد مطالعه قرار گرفت.
نتایج این مطالعه برای اولین بار تصویر واضحی از نحوه فشرده شدن مواد ارائه کرد. برای درک این فرآیند، باید اتم های اسکاندیم و فلوئور را به صورت توپ هایی تصور کنید که توسط فنرها به یکدیگر متصل شده اند. اتم فلوئور سبک تر به دو اتم اسکاندیم سنگین تر متصل است. با افزایش دما، تمام اتم ها شروع به نوسان در چندین جهت می کنند، اما به دلیل آرایش خطی اتم فلوئور و دو اتم اسکاندیم، اتم اول بیشتر در جهت های عمود بر فنرها می لرزد. با هر ارتعاش، فلوئور اتم های اسکاندیم را به سمت یکدیگر جذب می کند. از آنجایی که این در سراسر ماده رخ می دهد، اندازه آن کوچک می شود.
بزرگترین شگفتی این واقعیت بود که در طول ارتعاشات قوی، انرژی اتم فلوئور با چهارمین توان جابجایی (ارتعاش قدرت چهارم یا ارتعاش دوطرفه) متناسب است. علاوه بر این، بیشتر مواد با ارتعاشات هارمونیک (مربع) مانند حرکت رفت و برگشتی فنرها و آونگ ها مشخص می شوند.
به گفته نویسندگان این کشف، یک نوسان ساز کوانتومی درجه چهار تقریباً خالص قبلاً هرگز در کریستال ها ثبت نشده است. این بدان معنی است که مطالعه ScF3 در آینده امکان ایجاد موادی با خواص حرارتی منحصر به فرد را فراهم می کند.
تحقیقات دانشمندان ایالات متحده نشان داده است که این ماده که در هنگام گرم شدن تمایل به کوچک شدن دارد، با نوع خاصی از ارتعاشات اتمی که در هیچ ماده دیگری مشاهده نمی شود، متمایز می شود.به طور معمول، گرما باعث انبساط مواد می شود. اما مواد کریستالی خاصی وجود دارند که هنگام گرم شدن تمایل به جمع شدن دارند یا به قول دنیای علمی ضریب انبساط حرارتی آنها منفی است. چنین موادی از اهمیت عملی زیادی برخوردار هستند: برای مثال، می‌توان آنها را با مواد سنتی امروزی برای تولید پرکننده‌های دندان، آینه‌های تلسکوپ و سایر اجسامی که نیاز به ابعاد ثابت در محدوده دمایی وسیعی دارند، ترکیب کرد. یک مثال خوب از چنین ماده ای تنگستات زیرکونیوم (ZrW 2 O 8) است که تراکم 0.001٪ بر درجه کلوین را در محدوده هزاران درجه نشان می دهد. با توجه به مدل هندسی تنگستات زیرکونیوم، چهار وجهی و هشت وجهی که ساختار کریستالی این ماده از آن تشکیل شده است، سفت می مانند، اما می توانند در هنگام گرم شدن حول محور خود بچرخند که به دلیل تشکیل چین خوردگی در داخل آن، حجم ماده کاهش می یابد. ساختار این ساختارهای کریستالی به اصطلاح حالت های سخت ارتعاش را تشکیل می دهند.
در یکی از نمایندگان کلاس مواد با ضریب انبساط حرارتی منفی، دانشمندان مؤسسه فناوری کالیفرنیا (ایالات متحده آمریکا) اخیراً ارتعاشات مشاهده نشده شبکه کریستالی را کشف کردند. اگر این نوسانات را از نقطه نظر مکانیک تصور کنیم، سفتی "فار اتمی" که پارامترهای نوسانات را تعیین می کند، در این حالت با کشیده شدن "چشمه" بر خلاف حالت کلاسیک افزایش می یابد. نوسانات اتمی، که در آن این "سفتی موثر" ثابت می ماند. نتایج دقیق کار در مجله منتشر شد نامه های بررسی فیزیکی.
به گفته دانشمندان، هنگام مدل‌سازی حالت‌های ارتعاش صلب، معمولاً نیروهایی که حرکات اجسام منفرد را کنترل می‌کنند، در نظر نمی‌گیرند. این به این دلیل اتفاق می افتد که در چنین بلورهایی محاسبه نیروهای درون مجتمع بسیار دشوار است. در همان تنگستات زیرکونیوم، سلول واحد، که به طور دوره ای در داخل کریستال تکرار می شود، شامل 44 اتم است. اما اخیراً دانشمندان کشف کرده اند که ترکیب تری فلوراید اسکاندیم (ScF 3) دارای ویژگی های قابل مقایسه با تنگستات زیرکونیوم در محدوده دمایی 10 تا 1100 درجه کلوین است. تنها 4 اتم در سلول واحد کریستال این ماده وجود دارد که تجزیه و تحلیل برهمکنش های آنها بسیار آسان تر است.
برای ارزیابی نیروهای وارد بر سلول واحد تری فلوراید اسکاندیم، محققان طیف ارتعاش شبکه کریستالی را با استفاده از پراکندگی نوترون ارزیابی کردند. به ویژه، آنها به فرکانس تشدید حالت های مختلف ارتعاش در داخل شبکه علاقه مند بودند. اندازه گیری ها در محدوده 7 تا 750 درجه کلوین انجام شد. همانطور که انتظار می رفت، اکثر حالت های ارتعاش عملا فرکانس رزونانس خود را با تغییرات دما تغییر ندادند. با این حال، یکی از حالت ها به طور شگفت انگیزی فرکانس تشدید خود را به ناحیه فرکانس بالا منتقل کرد، گویی سفتی آن با افزایش دما افزایش می یابد.
پس از محاسبه پدیده شناسایی شده، دانشمندان دریافتند که برای اکثر حالت های ارتعاش، انرژی پتانسیل متناسب با مجذور فاصله بین اتم ها افزایش می یابد. اما برای حالت های فردی یک وابستگی به قدرت چهارم فاصله وجود دارد. این فرض به طور کامل توسط حقایق تجربی نشان داده شده در طول پراکندگی نوترون تایید شد.
ارتعاشات مرتبه چهارم کشف شده نشان دهنده یک منطقه عظیم و ناشناخته از فیزیک کریستال است، زیرا حالت های بالاتر ارتعاشات نیز می توانند نقش خاصی در خواص مواد دیگر ایفا کنند، به عنوان مثال. به طور بالقوه، تحقیقات در این زمینه می تواند منجر به توسعه مواد با خواص حرارتی جدید شود. علاوه بر این، دانشمندان بر این باورند که کشف آنها ممکن است مستلزم نیاز به اصلاح نظریه های موجود در مورد رفتار موادی باشد که هنگام گرم شدن منقبض می شوند.
مشخص است که ذرات تحت تأثیر گرما حرکت آشفته خود را تسریع می کنند. اگر گازی را گرم کنید، مولکول های تشکیل دهنده آن به سادگی از یکدیگر جدا می شوند. مایع گرم شده ابتدا حجمش افزایش می یابد و سپس شروع به تبخیر می کند. چه اتفاقی برای جامدات خواهد افتاد؟ هر کدام از آنها نمی توانند حالت تجمع خود را تغییر دهند.
انبساط حرارتی: تعریف
انبساط حرارتی تغییر در اندازه و شکل اجسام با تغییرات دما است. از نظر ریاضی، محاسبه ضریب انبساط حجمی امکان پذیر است، که به ما امکان می دهد رفتار گازها و مایعات را تحت شرایط خارجی متغیر پیش بینی کنیم. برای به دست آوردن نتایج مشابه برای جامدات، باید توجه داشت که فیزیکدانان بخش کاملی را برای این نوع تحقیقات اختصاص داده اند و آن را دیلاتومتری نامیده اند.
مهندسان و معماران برای طراحی ساختمان‌ها، جاده‌ها و لوله‌ها نیاز به آگاهی از رفتار مواد مختلف در دماهای بالا و پایین دارند.
انبساط گازها
انبساط حرارتی گازها با انبساط حجم آنها در فضا همراه است. این مورد توسط فیلسوفان طبیعی در دوران باستان مورد توجه قرار گرفت، اما فقط فیزیکدانان مدرن قادر به ساخت محاسبات ریاضی بودند.
اول از همه، دانشمندان به انبساط هوا علاقه مند شدند، زیرا به نظر آنها یک کار عملی به نظر می رسید. آنها آنقدر با غیرت وارد کار شدند که نتایج کاملاً متناقضی گرفتند. طبیعتاً جامعه علمی از این نتیجه راضی نبود. دقت اندازه گیری به نوع دماسنج مورد استفاده، فشار و بسیاری شرایط دیگر بستگی دارد. برخی از فیزیکدانان حتی به این نتیجه رسیدند که انبساط گازها به تغییرات دما بستگی ندارد. یا این وابستگی کامل نیست...
آثار دالتون و گی-لوساک
اگر او و فیزیکدان دیگری به نام گی-لوساک نمی توانستند به طور همزمان و مستقل از یکدیگر نتایج اندازه گیری یکسانی را به دست آورند، فیزیکدانان تا زمانی که خشن می شدند به بحث و جدل ادامه می دادند یا اندازه گیری ها را رها می کردند.
Lussac سعی کرد دلیل این همه نتایج متفاوت را بیابد و متوجه شد که در زمان آزمایش در برخی از دستگاه ها آب وجود دارد. به طور طبیعی، در طول فرآیند گرمایش به بخار تبدیل شد و مقدار و ترکیب گازهای مورد مطالعه را تغییر داد. بنابراین، اولین کاری که دانشمند انجام داد این بود که تمام ابزارهایی را که برای انجام آزمایش استفاده کرد، کاملاً خشک کرد و حتی حداقل درصد رطوبت را از گاز مورد مطالعه حذف کرد. پس از تمام این دستکاری ها، چند آزمایش اول قابل اعتمادتر بود.
دالتون بیش از همکار خود روی این موضوع کار کرد و نتایج را در همان آغاز قرن نوزدهم منتشر کرد. او هوا را با بخار اسید سولفوریک خشک کرد و سپس آن را گرم کرد. پس از یک سری آزمایش، جان به این نتیجه رسید که همه گازها و بخار با ضریب 0.376 منبسط می شوند. لوساک با عدد 0.375 رسید. این نتیجه رسمی مطالعه شد.
فشار بخار آب
انبساط حرارتی گازها به خاصیت ارتجاعی آنها، یعنی توانایی آنها برای بازگشت به حجم اولیه بستگی دارد. زیگلر اولین کسی بود که این موضوع را در اواسط قرن هجدهم بررسی کرد. اما نتایج آزمایشات او بسیار متفاوت بود. ارقام قابل اعتمادتری با استفاده از دیگ بخار پدرم برای دماهای بالا و فشارسنج برای دماهای پایین به دست آمد.
در پایان قرن هجدهم، پرونی فیزیکدان فرانسوی تلاش کرد تا فرمول واحدی را استخراج کند که خاصیت ارتجاعی گازها را توصیف کند، اما معلوم شد که استفاده از آن بسیار دست و پا گیر و دشوار است. دالتون تصمیم گرفت تمام محاسبات را با استفاده از فشارسنج سیفون به صورت تجربی آزمایش کند. با وجود این واقعیت که دما در همه آزمایش ها یکسان نبود، نتایج بسیار دقیق بود. بنابراین آنها را به صورت جدول در کتاب درسی فیزیک خود منتشر کرد.
تئوری تبخیر
انبساط حرارتی گازها (به عنوان یک نظریه فیزیکی) دستخوش تغییرات مختلفی شده است. دانشمندان سعی کرده‌اند به فرآیندهایی که بخار تولید می‌کنند دست یابند. در اینجا دوباره فیزیکدان مشهور دالتون خود را متمایز کرد. او فرض کرد که هر فضایی از بخار گاز اشباع شده است، صرف نظر از اینکه گاز یا بخار دیگری در این مخزن (اتاق) وجود دارد یا خیر. بنابراین می توان نتیجه گرفت که مایع صرفاً با تماس با هوای اتمسفر تبخیر نمی شود.
فشار ستون هوا بر روی سطح مایع، فضای بین اتم ها را افزایش می دهد، آنها را از هم جدا می کند و تبخیر می شود، یعنی باعث تشکیل بخار می شود. اما نیروی گرانش همچنان بر روی مولکول های بخار اثر می گذارد، بنابراین دانشمندان معتقد بودند که فشار اتمسفر هیچ تاثیری بر تبخیر مایعات ندارد.
انبساط مایعات
انبساط حرارتی مایعات به موازات انبساط گازها مورد مطالعه قرار گرفت. همین دانشمندان مشغول تحقیقات علمی بودند. برای این کار از دماسنج، هواسنج، کشتی های ارتباطی و ابزارهای دیگر استفاده کردند.
همه آزمایش ها با هم و هر یک به طور جداگانه نظریه دالتون را رد کردند که مایعات همگن به نسبت مربع دمایی که در آن گرم می شوند منبسط می شوند. البته هر چه دما بیشتر باشد حجم مایع بیشتر می شود اما رابطه مستقیمی بین آن وجود نداشت. و سرعت انبساط همه مایعات متفاوت بود.
به عنوان مثال، انبساط حرارتی آب از صفر درجه سانتیگراد شروع می شود و با کاهش دما ادامه می یابد. پیش از این، چنین نتایج تجربی با این واقعیت همراه بود که این خود آب نیست که منبسط می شود، بلکه ظرفی است که در آن قرار دارد که باریک می شود. اما مدتی بعد، فیزیکدان DeLuca سرانجام به این ایده رسید که علت را باید در خود مایع جستجو کرد. او تصمیم گرفت دمای بیشترین چگالی آن را پیدا کند. اما به دلیل بی توجهی به برخی جزئیات شکست خورد. رامفورت که این پدیده را مطالعه کرده بود، دریافت که حداکثر چگالی آب در محدوده 4 تا 5 درجه سانتیگراد مشاهده می شود.
انبساط حرارتی اجسام
در جامدات، مکانیسم اصلی انبساط تغییر در دامنه ارتعاش شبکه کریستالی است. به عبارت ساده، اتم‌هایی که ماده را می‌سازند و به‌طور محکم به یکدیگر متصل هستند، شروع به «لرزیدن» می‌کنند.
قانون انبساط حرارتی اجسام به شرح زیر است: هر جسمی با اندازه خطی L در فرآیند گرمایش با dT (دلتا T تفاوت بین دمای اولیه و نهایی است)، dL منبسط می شود (مثل L مشتق شده از ضریب انبساط حرارتی خطی با طول جسم و با اختلاف دما). این ساده ترین نسخه این قانون است که به طور پیش فرض در نظر می گیرد که بدن به طور همزمان در همه جهات منبسط می شود. اما برای کار عملی، از محاسبات بسیار دست و پا گیرتر استفاده می شود، زیرا در واقعیت، مواد رفتاری متفاوت با مدل سازی شده توسط فیزیکدانان و ریاضیدانان دارند.
انبساط حرارتی ریل
مهندسان فیزیک همیشه در راه‌اندازی خطوط راه‌آهن نقش دارند، زیرا می‌توانند به دقت محاسبه کنند که چه فاصله‌ای باید بین اتصالات ریل وجود داشته باشد تا ریل‌ها هنگام گرم یا سرد شدن تغییر شکل ندهند.
همانطور که در بالا ذکر شد، انبساط خطی حرارتی برای همه جامدات اعمال می شود. و راه آهن نیز از این قاعده مستثنی نبود. اما یک جزئیات وجود دارد. اگر بدن تحت تأثیر اصطکاک قرار نگیرد، تغییر خطی آزادانه رخ می دهد. ریل ها به طور صلب به تراورس ها متصل می شوند و به ریل های مجاور جوش داده می شوند، بنابراین قانونی که تغییر طول را توصیف می کند، غلبه بر موانع را به شکل مقاومت های خطی و لب به لب در نظر می گیرد.
اگر ریل نتواند طول خود را تغییر دهد، با تغییر دما، تنش حرارتی در آن افزایش می یابد که می تواند آن را کشیده یا فشرده کند. این پدیده توسط قانون هوک توصیف شده است.
