voditi...
11.11.2011, pet, 15:58, moskovsko vrijemeVećina materijala se širi kada se zagrijava, ali postoji nekoliko jedinstvenih tvari koje se ponašaju drugačije. Inženjeri Caltecha po prvi su put otkrili kako se jedan od ovih intrigantnih materijala, skandijev trifluorid (ScF3), skuplja kada se zagrijava.
Ovo će otkriće dovesti do dubljeg razumijevanja ponašanja svih vrsta tvari, a također će omogućiti stvaranje novih materijala s jedinstvenim svojstvima. Materijali koji se ne šire kada se zagrijavaju nisu samo znanstvena zanimljivost. Korisni su u raznim primjenama, kao što su visoko precizni mehanizmi poput satova, koji moraju ostati vrlo točni čak i kada temperatura varira.
Kada se čvrsti materijali zagrijavaju, većina topline gubi se na atomske vibracije. U običnim materijalima te vibracije guraju atome, uzrokujući širenje materijala. Međutim, neke tvari imaju jedinstvene kristalne strukture koje uzrokuju njihovo skupljanje kada se zagrijavaju. Ovo se svojstvo naziva negativno toplinsko širenje. Nažalost, te su kristalne strukture vrlo složene i znanstvenici do sada nisu mogli vidjeti kako atomske vibracije uzrokuju smanjenje veličine materijala.
Pogreška 404: Stranica se ne može pronaći.
To se moglo dogoditi iz jednog od sljedećih razloga:
– greška prilikom upisivanja adrese stranice (URL)
– praćenje “pokvarene” (neispravne, neispravne) poveznice
– tražena stranica nikada nije bila na stranici ili je izbrisana
Možeš:
– vratite se natrag pomoću gumba Natrag preglednika
– provjerite ispravnost pravopisa adrese stranice (URL)
– koristite kartu stranice ili idite na glavnu stranicu
To se promijenilo 2010. otkrićem negativne toplinske ekspanzije u ScF3, praškastoj tvari s relativno jednostavnom kristalnom strukturom. Kako bi otkrili kako njegovi atomi vibriraju kada su izloženi toplini, američki znanstvenici su pomoću računala simulirali ponašanje svakog atoma. Svojstva materijala proučavana su i u neutronskom laboratoriju kompleksa ORNL u Tennesseeju.
Rezultati studije dali su, po prvi put, jasnu sliku o tome kako se materijal sabija. Da biste razumjeli ovaj proces, trebate zamisliti atome skandijuma i fluora kao kuglice povezane jedna s drugom oprugama. Lakši atom fluora vezan je za dva teža atoma skandijuma. Kako se temperatura povećava, svi se atomi počinju ljuljati u nekoliko smjerova, ali zbog linearnog rasporeda atoma fluora i dva atoma skandijuma, prvi više vibrira u smjerovima okomitim na opruge. Sa svakom vibracijom, fluor privlači atome skandija jedne prema drugima. Kako se to događa u cijelom materijalu, on se smanjuje u veličini.
Najveće iznenađenje bila je činjenica da je tijekom jakih vibracija energija atoma fluora proporcionalna četvrtoj potenciji pomaka (vibracija četvrte potencije ili bikvadratna vibracija). Štoviše, većinu materijala karakteriziraju harmonijske (kvadratne) vibracije, poput recipročnog gibanja opruga i njihala.
Prema autorima otkrića, gotovo čisti kvantni oscilator četvrtog stupnja nikad prije nije zabilježen u kristalima. To znači da će proučavanje ScF3 u budućnosti omogućiti stvaranje materijala s jedinstvenim toplinskim svojstvima.
Većina materijala se širi kada se zagrijava, ali postoji nekoliko jedinstvenih tvari koje se ponašaju drugačije. Inženjeri Caltecha po prvi su put otkrili kako se jedan od ovih intrigantnih materijala, skandijev trifluorid (ScF3), skuplja kada se zagrijava.
Ovo će otkriće dovesti do dubljeg razumijevanja ponašanja svih vrsta tvari, a također će omogućiti stvaranje novih materijala s jedinstvenim svojstvima. Materijali koji se ne šire kada se zagrijavaju nisu samo znanstvena zanimljivost. Korisni su u raznim primjenama, kao što su visoko precizni mehanizmi poput satova, koji moraju ostati vrlo točni čak i kada temperatura varira.
Kada se čvrsti materijali zagrijavaju, većina topline gubi se na atomske vibracije. U običnim materijalima te vibracije guraju atome, uzrokujući širenje materijala. Međutim, neke tvari imaju jedinstvene kristalne strukture koje uzrokuju njihovo skupljanje kada se zagrijavaju. Ovo se svojstvo naziva negativno toplinsko širenje. Nažalost, te su kristalne strukture vrlo složene i znanstvenici do sada nisu mogli vidjeti kako atomske vibracije uzrokuju smanjenje veličine materijala.
To se promijenilo 2010. otkrićem negativne toplinske ekspanzije u ScF3, praškastoj tvari s relativno jednostavnom kristalnom strukturom. Kako bi otkrili kako njegovi atomi vibriraju kada su izloženi toplini, američki znanstvenici su pomoću računala simulirali ponašanje svakog atoma. Svojstva materijala proučavana su i u neutronskom laboratoriju kompleksa ORNL u Tennesseeju.
Rezultati studije dali su, po prvi put, jasnu sliku o tome kako se materijal sabija. Da biste razumjeli ovaj proces, trebate zamisliti atome skandijuma i fluora kao kuglice povezane jedna s drugom oprugama. Lakši atom fluora vezan je za dva teža atoma skandijuma. Kako se temperatura povećava, svi se atomi počinju ljuljati u nekoliko smjerova, ali zbog linearnog rasporeda atoma fluora i dva atoma skandijuma, prvi više vibrira u smjerovima okomitim na opruge. Sa svakom vibracijom, fluor privlači atome skandija jedne prema drugima. Kako se to događa u cijelom materijalu, on se smanjuje u veličini.
Najveće iznenađenje bila je činjenica da je tijekom jakih vibracija energija atoma fluora proporcionalna četvrtoj potenciji pomaka (vibracija četvrte potencije ili bikvadratna vibracija). Štoviše, većinu materijala karakteriziraju harmonijske (kvadratne) vibracije, poput recipročnog gibanja opruga i njihala.
Prema autorima otkrića, gotovo čisti kvantni oscilator četvrtog stupnja nikad prije nije zabilježen u kristalima. To znači da će proučavanje ScF3 u budućnosti omogućiti stvaranje materijala s jedinstvenim toplinskim svojstvima.
Istraživanje znanstvenika iz Sjedinjenih Američkih Država pokazalo je da se materijal, koji je sklon skupljanju kada se zagrijava, odlikuje posebnom vrstom atomskih vibracija koje nisu zabilježene ni u jednoj drugoj tvari.Tipično, toplina uzrokuje širenje tvari. Ali postoje određene kristalne tvari koje su sklone skupljanju pri zagrijavanju ili, kako kažu u znanstvenom svijetu, koje imaju negativan koeficijent toplinskog širenja. Takvi su materijali od velike praktične važnosti: mogu se kombinirati, primjerice, s današnjim tradicionalnim materijalima za izradu zubnih ispuna, ogledala za teleskope i drugih predmeta koji moraju imati fiksne dimenzije u širokom temperaturnom rasponu. Dobar primjer takve tvari je cirkonijev volframat (ZrW 2 O 8), koji pokazuje kompresiju od 0,001% po stupnju Kelvina u rasponu od tisuća stupnjeva. Prema geometrijskom modelu cirkonijevog volframata, tetraedri i oktaedri od kojih je nastala kristalna struktura tvari ostaju kruti, ali se mogu okretati oko svoje osi kada se zagrijavaju, što smanjuje volumen materijala zbog stvaranja nabora unutar njegovog struktura. Ove kristalne strukture tvore takozvane tvrde oblike vibracija.
U jednom od predstavnika klase tvari s negativnim koeficijentom toplinske ekspanzije, znanstvenici s Kalifornijskog instituta za tehnologiju (SAD) nedavno su otkrili dosad neopažene vibracije kristalne rešetke. Ako te oscilacije zamislimo sa stajališta mehanike, tada se krutost „atomske opruge“, koja određuje parametre oscilacija, u ovom slučaju povećava kada se „opruga“ rasteže, za razliku od klasičnog slučaja atomske oscilacije, gdje ta "efektivna krutost" ostaje konstantna. Detaljni rezultati rada objavljeni su u časopisu Physical Review Letters.
Prema znanstvenicima, pri modeliranju krutih načina vibracija obično se ne uzimaju u obzir sile koje kontroliraju kretanja pojedinačnih objekata. To se događa jer je u takvim kristalima iznimno teško izračunati sile unutar kompleksa. U istom cirkonijevom volframatu, jedinična ćelija, koja se periodički ponavlja unutar kristala, uključuje 44 atoma. No nedavno su znanstvenici otkrili da spoj skandijev trifluorid (ScF 3) ima usporedive karakteristike s cirkonijevim volframatom u temperaturnom rasponu od 10 do 1100 stupnjeva Kelvina. Postoje samo 4 atoma u jediničnoj ćeliji kristala ove tvari, čije je interakcije mnogo lakše analizirati.
Kako bi procijenili sile koje djeluju unutar jedinične ćelije skandijeva trifluorida, istraživači su procijenili spektar vibracija kristalne rešetke pomoću raspršenja neutrona. Osobito ih je zanimala rezonantna frekvencija različitih oblika vibracija unutar rešetke. Mjerenja su obavljena u rasponu od 7 do 750 stupnjeva Kelvina. Kao što se i očekivalo, većina načina vibracija praktički nije promijenila svoju rezonantnu frekvenciju s promjenama temperature. Međutim, jedan od modova iznenađujuće je pomaknuo svoju rezonantnu frekvenciju u područje visoke frekvencije, kao da se njegova krutost povećava s povećanjem temperature.
Nakon izračuna identificiranog fenomena, znanstvenici su otkrili da se za većinu načina vibracija potencijalna energija povećava proporcionalno kvadratu udaljenosti između atoma. Ali za pojedine načine postoji ovisnost o četvrtoj potenciji udaljenosti. Ovu su pretpostavku u potpunosti potvrdile eksperimentalne činjenice otkrivene tijekom raspršenja neutrona.
Otkrivene vibracije četvrtog reda predstavljaju ogromno i neistraženo područje fizike kristala, jer viši modovi vibracija također mogu igrati određenu ulogu u svojstvima drugih tvari, tj. Potencijalno bi istraživanja u ovom području mogla dovesti do razvoja materijala s novim toplinskim svojstvima. Štoviše, znanstvenici vjeruju da bi njihovo otkriće moglo povlačiti za sobom potrebu modificiranja postojećih teorija o ponašanju tvari koje se skupljaju kada se zagrijavaju.
Poznato je da pod utjecajem topline čestice ubrzavaju svoje kaotično kretanje. Ako zagrijete plin, molekule koje ga sačinjavaju jednostavno se razlete jedna od druge. Zagrijana tekućina prvo će povećati volumen, a zatim početi isparavati. Što će se dogoditi s čvrstim tvarima? Ne može svaki od njih promijeniti svoje agregatno stanje.
Toplinsko širenje: Definicija
Toplinsko širenje je promjena veličine i oblika tijela s promjenom temperature. Matematički je moguće izračunati volumetrijski koeficijent ekspanzije, koji nam omogućuje predviđanje ponašanja plinova i tekućina u promjenjivim vanjskim uvjetima. Da bi se dobili isti rezultati za čvrste tvari, potrebno je uzeti u obzir. Fizičari su ovoj vrsti istraživanja dodijelili cijeli odjeljak i nazvali ga dilatometrija.
Inženjeri i arhitekti trebaju znanje o ponašanju različitih materijala pod visokim i niskim temperaturama kako bi projektirali zgrade, ceste i cijevi.
Širenje plinova
Toplinsko širenje plinova prati i širenje njihova volumena u prostoru. To su primijetili prirodni filozofi u davnim vremenima, ali tek su moderni fizičari uspjeli konstruirati matematičke proračune.
Prije svega, znanstvenici su se zainteresirali za širenje zraka, jer im se to činilo izvedivim zadatkom. Toliko su se revno prihvatili posla da su dobili prilično kontradiktorne rezultate. Naravno, znanstvena zajednica nije bila zadovoljna ovakvim ishodom. Točnost mjerenja ovisila je o vrsti korištenog termometra, tlaku i mnogim drugim uvjetima. Neki su fizičari čak došli do zaključka da širenje plinova ne ovisi o promjenama temperature. Ili ta ovisnost nije potpuna...
Djela Daltona i Gay-Lussaca
Fizičari bi nastavili raspravljati dok nisu promukli ili bi odustali od mjerenja da On i još jedan fizičar, Gay-Lussac, nisu mogli dobiti iste rezultate mjerenja u isto vrijeme neovisno jedan o drugome.
Lussac je pokušao pronaći razlog toliko različitih rezultata i primijetio je da je u nekim uređajima u vrijeme eksperimenta bilo vode. Naravno, tijekom procesa zagrijavanja pretvorio se u paru i promijenio količinu i sastav proučavanih plinova. Stoga je prvo što je znanstvenik učinio bilo temeljito osušiti sve instrumente koje je koristio za provođenje eksperimenta i eliminirati čak i minimalni postotak vlage iz plina koji se proučava. Nakon svih ovih manipulacija, prvih nekoliko eksperimenata pokazalo se pouzdanijima.
Dalton je na ovom pitanju radio dulje od svog kolege i rezultate je objavio na samom početku 19. stoljeća. Osušio je zrak parama sumporne kiseline, a zatim ga zagrijao. Nakon niza pokusa, John je došao do zaključka da se svi plinovi i para šire za faktor 0,376. Lussac je došao do broja 0,375. Ovo je postao službeni rezultat studije.
Tlak vodene pare
Toplinsko rastezanje plinova ovisi o njihovoj elastičnosti, odnosno sposobnosti povratka u prvobitni volumen. Ziegler je bio prvi koji je istražio ovo pitanje sredinom osamnaestog stoljeća. Ali rezultati njegovih eksperimenata previše su varirali. Pouzdanije brojke dobivene su korištenjem očevog bojlera za visoke temperature i barometra za niske temperature.
Krajem 18. stoljeća francuski fizičar Prony pokušao je izvesti jednu formulu koja bi opisala elastičnost plinova, ali se pokazala preglomaznom i teškom za korištenje. Dalton je odlučio empirijski testirati sve izračune koristeći sifonski barometar. Unatoč činjenici da temperatura nije bila ista u svim eksperimentima, rezultati su bili vrlo točni. Stoga ih je objavio u obliku tablice u svom udžbeniku fizike.
Teorija isparavanja
Toplinsko širenje plinova (kao fizikalna teorija) doživjelo je razne promjene. Znanstvenici su pokušali dokučiti procese koji proizvode paru. Ovdje se opet istaknuo već poznati fizičar Dalton. Pretpostavio je da je svaki prostor zasićen plinskom parom, bez obzira na to je li u tom spremniku (prostoriji) prisutan neki drugi plin ili para. Stoga se može zaključiti da tekućina neće ispariti samim dolaskom u dodir s atmosferskim zrakom.
Pritisak zračnog stupca na površinu tekućine povećava prostor između atoma, kidajući ih i isparavajući, odnosno potiče stvaranje pare. Ali sila gravitacije nastavlja djelovati na molekule pare, pa su znanstvenici vjerovali da atmosferski tlak nema utjecaja na isparavanje tekućina.
Širenje tekućina
Usporedno sa širenjem plinova proučavalo se toplinsko širenje tekućina. Znanstveno-istraživačkim radom bavili su se isti znanstvenici. Da bi to učinili, koristili su termometre, aerometre, komunikacijske posude i druge instrumente.
Svi pokusi zajedno i svaki zasebno opovrgli su Daltonovu teoriju da se homogene tekućine šire proporcionalno kvadratu temperature na koju su zagrijane. Naravno, što je viša temperatura, to je veći volumen tekućine, ali nije bilo izravne veze između toga. I brzina širenja svih tekućina bila je različita.
Toplinsko širenje vode, na primjer, počinje na nula Celzijevih stupnjeva i nastavlja se kako se temperatura smanjuje. Prije su se takvi eksperimentalni rezultati povezivali s činjenicom da se ne širi sama voda, već se sužava posuda u kojoj se nalazi. No nešto kasnije, fizičar DeLuca konačno je došao na ideju da uzrok treba tražiti u samoj tekućini. Odlučio je pronaći temperaturu njegove najveće gustoće. Međutim, nije uspio zbog zanemarivanja nekih detalja. Rumfort, koji je proučavao ovaj fenomen, otkrio je da se najveća gustoća vode opaža u rasponu od 4 do 5 stupnjeva Celzijusa.
Toplinsko širenje tijela
U čvrstim tijelima, glavni mehanizam širenja je promjena amplitude vibracija kristalne rešetke. Jednostavnim riječima, atomi koji čine materijal i međusobno su čvrsto povezani počinju "drhtati".
Zakon toplinskog širenja tijela formuliran je na sljedeći način: svako tijelo linearne veličine L u procesu zagrijavanja za dT (delta T je razlika između početne i konačne temperature), širi se za dL (delta L je derivacija koeficijent linearnog toplinskog rastezanja po duljini objekta i po razlici temperatura). Ovo je najjednostavnija verzija ovog zakona, koja standardno uzima u obzir da se tijelo širi u svim smjerovima odjednom. Ali za praktičan rad koriste se mnogo glomazniji izračuni, budući da se u stvarnosti materijali ponašaju drugačije nego što su modelirali fizičari i matematičari.
Toplinsko širenje tračnice
Inženjeri fizike uvijek su uključeni u polaganje željezničkih tračnica, jer mogu točno izračunati koliki razmak treba biti između spojeva tračnica kako se tračnice ne bi deformirale pri zagrijavanju ili hlađenju.
Kao što je gore spomenuto, toplinsko linearno širenje odnosi se na sve čvrste tvari. Ni željeznica nije bila iznimka. Ali postoji jedan detalj. Linearna promjena odvija se slobodno ako tijelo nije pod utjecajem trenja. Tračnice su kruto pričvršćene na pragove i zavarene na susjedne tračnice, stoga zakon koji opisuje promjenu duljine uzima u obzir svladavanje prepreka u obliku linearnih i sučeonih otpora.
Ako tračnica ne može promijeniti svoju duljinu, tada se s promjenom temperature u njoj povećava toplinsko naprezanje, koje je može rastegnuti ili stisnuti. Ova pojava je opisana Hookeovim zakonom.
