conduce...
11.11.2011, vineri, ora 15:58, ora MoscoveiMajoritatea materialelor se extind atunci când sunt încălzite, dar există câteva substanțe unice care se comportă diferit. Inginerii Caltech au descoperit pentru prima dată cum unul dintre aceste materiale interesante, trifluorura de scandiu (ScF3), se micșorează atunci când este încălzit.
Această descoperire va duce la o înțelegere mai profundă a comportamentului tuturor tipurilor de substanțe și va permite, de asemenea, crearea de noi materiale cu proprietăți unice. Materialele care nu se extind atunci când sunt încălzite nu sunt doar o curiozitate științifică. Sunt utile într-o varietate de aplicații, cum ar fi mecanismele de înaltă precizie, cum ar fi ceasurile, care trebuie să rămână foarte precise chiar și atunci când temperatura fluctuează.
Când materialele solide sunt încălzite, cea mai mare parte a căldurii este pierdută prin vibrațiile atomice. În materialele obișnuite, aceste vibrații împing atomii, determinând extinderea materialului. Cu toate acestea, unele substanțe au structuri cristaline unice care le fac să se micșoreze atunci când sunt încălzite. Această proprietate se numește dilatare termică negativă. Din păcate, aceste structuri cristaline sunt foarte complexe, iar oamenii de știință nu au reușit până acum să vadă cum vibrațiile atomice fac materialul să se micșoreze în dimensiune.
Eroare 404: Pagina nu poate fi găsită.
Este posibil să se fi întâmplat din unul dintre aceste motive:
– eroare la introducerea adresei paginii (URL)
– în urma unui link „întrerupt” (nefuncționează, incorect).
– pagina solicitată nu a fost niciodată pe site sau a fost ștearsă
Puteți:
– reveniți utilizând butonul Înapoi al browserului
– verificați ortografia corectă a adresei paginii (URL)
– utilizați harta site-ului sau accesați pagina principală
Acest lucru s-a schimbat odată cu descoperirea din 2010 a expansiunii termice negative în ScF3, o substanță sub formă de pulbere cu o structură cristalină relativ simplă. Pentru a afla cum vibrează atomii săi atunci când sunt expuși la căldură, oamenii de știință americani au folosit un computer pentru a simula comportamentul fiecărui atom. Proprietățile materialului au fost studiate și la laboratorul de neutroni al complexului ORNL din Tennessee.
Rezultatele studiului au oferit, pentru prima dată, o imagine clară a modului în care materialul se comprimă. Pentru a înțelege acest proces, trebuie să vă imaginați atomii de scandiu și fluor ca niște bile legate între ele prin arcuri. Atomul de fluor mai ușor este legat de doi atomi de scandiu mai grei. Pe măsură ce temperatura crește, toți atomii încep să se balanseze în mai multe direcții, dar datorită aranjamentului liniar al atomului de fluor și a celor doi atomi de scandiu, primul vibrează mai mult în direcții perpendiculare pe arcuri. Cu fiecare vibrație, fluorul atrage atomii de scandiu unul către celălalt. Pe măsură ce acest lucru se întâmplă în întregul material, acesta se micșorează în dimensiune.
Cea mai mare surpriză a fost faptul că în timpul vibrațiilor puternice energia atomului de fluor este proporțională cu puterea a patra de deplasare (vibrația a patra putere sau vibrația biquadratică). Mai mult, majoritatea materialelor sunt caracterizate de vibrații armonice (pătratice), cum ar fi mișcarea alternativă a arcurilor și pendulelor.
Potrivit autorilor descoperirii, un oscilator cuantic de gradul patru aproape pur nu a mai fost niciodată înregistrat în cristale. Aceasta înseamnă că studierea ScF3 în viitor va face posibilă crearea de materiale cu proprietăți termice unice.
Majoritatea materialelor se extind atunci când sunt încălzite, dar există câteva substanțe unice care se comportă diferit. Inginerii Caltech au descoperit pentru prima dată cum unul dintre aceste materiale interesante, trifluorura de scandiu (ScF3), se micșorează atunci când este încălzit.
Această descoperire va duce la o înțelegere mai profundă a comportamentului tuturor tipurilor de substanțe și va permite, de asemenea, crearea de noi materiale cu proprietăți unice. Materialele care nu se extind atunci când sunt încălzite nu sunt doar o curiozitate științifică. Sunt utile într-o varietate de aplicații, cum ar fi mecanismele de înaltă precizie, cum ar fi ceasurile, care trebuie să rămână foarte precise chiar și atunci când temperatura fluctuează.
Când materialele solide sunt încălzite, cea mai mare parte a căldurii este pierdută prin vibrațiile atomice. În materialele obișnuite, aceste vibrații împing atomii, determinând extinderea materialului. Cu toate acestea, unele substanțe au structuri cristaline unice care le fac să se micșoreze atunci când sunt încălzite. Această proprietate se numește dilatare termică negativă. Din păcate, aceste structuri cristaline sunt foarte complexe, iar oamenii de știință nu au reușit până acum să vadă cum vibrațiile atomice fac materialul să se micșoreze în dimensiune.
Acest lucru s-a schimbat odată cu descoperirea din 2010 a expansiunii termice negative în ScF3, o substanță sub formă de pulbere cu o structură cristalină relativ simplă. Pentru a afla cum vibrează atomii săi atunci când sunt expuși la căldură, oamenii de știință americani au folosit un computer pentru a simula comportamentul fiecărui atom. Proprietățile materialului au fost studiate și la laboratorul de neutroni al complexului ORNL din Tennessee.
Rezultatele studiului au oferit, pentru prima dată, o imagine clară a modului în care materialul se comprimă. Pentru a înțelege acest proces, trebuie să vă imaginați atomii de scandiu și fluor ca niște bile legate între ele prin arcuri. Atomul de fluor mai ușor este legat de doi atomi de scandiu mai grei. Pe măsură ce temperatura crește, toți atomii încep să se balanseze în mai multe direcții, dar datorită aranjamentului liniar al atomului de fluor și a celor doi atomi de scandiu, primul vibrează mai mult în direcții perpendiculare pe arcuri. Cu fiecare vibrație, fluorul atrage atomii de scandiu unul către celălalt. Pe măsură ce acest lucru se întâmplă în întregul material, acesta se micșorează în dimensiune.
Cea mai mare surpriză a fost faptul că în timpul vibrațiilor puternice energia atomului de fluor este proporțională cu puterea a patra de deplasare (vibrația a patra putere sau vibrația biquadratică). Mai mult, majoritatea materialelor sunt caracterizate de vibrații armonice (pătratice), cum ar fi mișcarea alternativă a arcurilor și pendulelor.
Potrivit autorilor descoperirii, un oscilator cuantic de gradul patru aproape pur nu a mai fost niciodată înregistrat în cristale. Aceasta înseamnă că studierea ScF3 în viitor va face posibilă crearea de materiale cu proprietăți termice unice.
Cercetările oamenilor de știință din Statele Unite au arătat că materialul, care tinde să se micșoreze atunci când este încălzit, se distinge printr-un tip special de vibrații atomice neobservate în nicio altă substanță.În mod obișnuit, căldura face ca substanțele să se extindă. Dar există anumite substanțe cristaline care tind să se micșoreze la încălzire sau, după cum se spune în lumea științifică, care au un coeficient negativ de dilatare termică. Astfel de materiale au o mare importanță practică: pot fi combinate, de exemplu, cu materialele tradiționale de astăzi pentru producerea de plombe dentare, oglinzi pentru telescoape și alte obiecte care trebuie să aibă dimensiuni fixe pe o gamă largă de temperaturi. Un bun exemplu de astfel de substanță este wolframul de zirconiu (ZrW 2 O 8), care prezintă o compresie de 0,001% pe grad Kelvin pe o gamă de mii de grade. Conform modelului geometric al wolframului de zirconiu, tetraedrele și octaedrele din care se formează structura cristalină a substanței rămân rigide, dar se pot roti în jurul axei lor atunci când sunt încălzite, ceea ce reduce volumul materialului datorită formării de pliuri în interiorul său. structura. Aceste structuri cristaline formează așa-numitele moduri dure de vibrație.
Într-unul dintre reprezentanții clasei de substanțe cu un coeficient negativ de dilatare termică, oamenii de știință de la Institutul de Tehnologie din California (SUA) au descoperit recent vibrații neobservate anterior ale rețelei cristaline. Dacă ne imaginăm aceste oscilații din punct de vedere al mecanicii, atunci rigiditatea „arcului atomic”, care determină parametrii oscilațiilor, în acest caz crește atunci când „arcul” este întins, spre deosebire de cazul clasic al oscilații atomice, unde această „rigiditate efectivă” rămâne constantă. Rezultatele detaliate ale lucrării au fost publicate în jurnal Scrisori de revizuire fizică.
Potrivit oamenilor de știință, la modelarea modurilor de vibrație rigide, forțele care controlează mișcările obiectelor individuale nu sunt de obicei luate în considerare. Acest lucru se întâmplă deoarece în astfel de cristale este extrem de dificil să se calculeze forțele din cadrul complexului. În același tungstat de zirconiu, celula unitară, repetându-se periodic în interiorul cristalului, include 44 de atomi. Dar recent, oamenii de știință au descoperit că compusul trifluorură de scandiu (ScF 3) are caracteristici comparabile cu wolframul de zirconiu în intervalul de temperatură de la 10 la 1100 de grade Kelvin. În celula unitară a unui cristal din această substanță există doar 4 atomi, ale căror interacțiuni sunt mult mai ușor de analizat.
Pentru a evalua forțele care acționează în interiorul celulei unitare de trifluorura de scandiu, cercetătorii au evaluat spectrul de vibrații al rețelei cristaline folosind împrăștierea neutronilor. În special, ei au fost interesați de frecvența de rezonanță a diferitelor moduri de vibrație din rețea. Măsurătorile au fost efectuate în intervalul de la 7 la 750 de grade Kelvin. După cum era de așteptat, majoritatea modurilor de vibrație practic nu și-au schimbat frecvența de rezonanță cu schimbările de temperatură. Cu toate acestea, unul dintre moduri și-a mutat în mod surprinzător frecvența de rezonanță în regiunea de înaltă frecvență, ca și cum rigiditatea sa ar crește odată cu creșterea temperaturii.
După calcularea fenomenului identificat, oamenii de știință au descoperit că pentru majoritatea modurilor de vibrație, energia potențială crește proporțional cu pătratul distanței dintre atomi. Dar pentru modurile individuale există o dependență de a patra putere a distanței. Această presupunere a fost pe deplin confirmată de faptele experimentale dezvăluite în timpul împrăștierii neutronilor.
Vibrațiile de ordinul al patrulea descoperite reprezintă o zonă imensă și neexplorată a fizicii cristalelor, deoarece modurile mai mari de vibrații pot juca și un anumit rol în proprietățile altor substanțe, de exemplu. Potenţial, cercetările în acest domeniu ar putea duce la dezvoltarea de materiale cu noi proprietăţi termice. Mai mult, oamenii de știință cred că descoperirea lor poate presupune necesitatea de a modifica teoriile existente cu privire la comportamentul substanțelor care se micșorează atunci când sunt încălzite.
Se știe că, sub influența căldurii, particulele își accelerează mișcarea haotică. Dacă încălziți un gaz, moleculele care îl compun pur și simplu zboară una de cealaltă. Lichidul încălzit va crește mai întâi în volum și apoi va începe să se evapore. Ce se va întâmpla cu solidele? Nu fiecare dintre ele își poate schimba starea de agregare.
Dilatare termică: Definiție
Expansiunea termică este modificarea dimensiunii și formei corpurilor odată cu schimbările de temperatură. Din punct de vedere matematic, este posibil să se calculeze coeficientul de dilatare volumetrică, care ne permite să prezicem comportamentul gazelor și lichidelor în condițiile externe în schimbare. Pentru a obține aceleași rezultate pentru solide, este necesar să ținem cont că fizicienii au alocat o întreagă secțiune pentru acest tip de cercetare și au numit-o dilatometrie.
Inginerii și arhitecții au nevoie de cunoștințe despre comportamentul diferitelor materiale la temperaturi ridicate și scăzute pentru a proiecta clădiri, drumuri și conducte.
Expansiunea gazelor
Dilatarea termică a gazelor este însoțită de o extindere a volumului lor în spațiu. Acest lucru a fost observat de filozofii naturii în antichitate, dar numai fizicienii moderni au fost capabili să construiască calcule matematice.
În primul rând, oamenii de știință au devenit interesați de expansiunea aerului, deoarece li s-a părut o sarcină fezabilă. S-au pus la treabă cu atâta zel încât au obținut rezultate destul de contradictorii. Desigur, comunitatea științifică nu a fost mulțumită de acest rezultat. Precizia măsurării depindea de tipul de termometru folosit, de presiune și de multe alte condiții. Unii fizicieni au ajuns chiar la concluzia că expansiunea gazelor nu depinde de schimbările de temperatură. Sau această dependență nu este completă...
Lucrări de Dalton și Gay-Lussac
Fizicienii ar fi continuat să se certe până când au fost răgușiți sau ar fi abandonat măsurătorile dacă El și un alt fizician, Gay-Lussac, nu ar fi putut obține aceleași rezultate de măsurare în același timp, independent unul de celălalt.
Lussac a încercat să găsească motivul pentru atât de multe rezultate diferite și a observat că în unele dispozitive era apă în momentul experimentului. Desigur, în timpul procesului de încălzire s-a transformat în abur și a modificat cantitatea și compoziția gazelor studiate. Prin urmare, primul lucru pe care l-a făcut omul de știință a fost să usuce temeinic toate instrumentele pe care le-a folosit pentru a efectua experimentul și să elimine chiar și procentul minim de umiditate din gazul studiat. După toate aceste manipulări, primele câteva experimente s-au dovedit a fi mai fiabile.
Dalton a lucrat la această problemă mai mult decât colegul său și a publicat rezultatele chiar la începutul secolului al XIX-lea. A uscat aerul cu vapori de acid sulfuric și apoi l-a încălzit. După o serie de experimente, John a ajuns la concluzia că toate gazele și aburul se extind cu un factor de 0,376. Lussac a venit cu un număr de 0,375. Acesta a devenit rezultatul oficial al studiului.
Presiunea vaporilor de apă
Expansiunea termică a gazelor depinde de elasticitatea lor, adică de capacitatea lor de a reveni la volumul inițial. Ziegler a fost primul care a explorat această problemă la mijlocul secolului al XVIII-lea. Dar rezultatele experimentelor sale au variat prea mult. Cifre mai sigure au fost obținute prin utilizarea cazanului tatălui meu pentru temperaturi ridicate și a unui barometru pentru temperaturi scăzute.
La sfârșitul secolului al XVIII-lea, fizicianul francez Prony a încercat să obțină o singură formulă care să descrie elasticitatea gazelor, dar s-a dovedit a fi prea greoaie și dificil de utilizat. Dalton a decis să testeze empiric toate calculele folosind un barometru cu sifon. În ciuda faptului că temperatura nu a fost aceeași în toate experimentele, rezultatele au fost foarte precise. Așa că le-a publicat sub formă de tabel în manualul său de fizică.
Teoria evaporării
Expansiunea termică a gazelor (ca teorie fizică) a suferit diverse modificări. Oamenii de știință au încercat să ajungă la fundul proceselor care produc abur. Aici, din nou, cunoscutul fizician Dalton s-a remarcat. El a emis ipoteza că orice spațiu este saturat cu vapori de gaz, indiferent dacă în acest rezervor (încăpere) este prezent orice alt gaz sau vapori. Prin urmare, se poate concluziona că lichidul nu se va evapora prin simpla intrare în contact cu aerul atmosferic.
Presiunea coloanei de aer pe suprafața lichidului mărește spațiul dintre atomi, rupându-i și evaporându-se, adică favorizează formarea vaporilor. Dar forța gravitației continuă să acționeze asupra moleculelor de vapori, așa că oamenii de știință au crezut că presiunea atmosferică nu are niciun efect asupra evaporării lichidelor.
Expansiunea lichidelor
Dilatarea termică a lichidelor a fost studiată în paralel cu dilatarea gazelor. Aceiași oameni de știință erau implicați în cercetare științifică. Pentru a face acest lucru, au folosit termometre, aerometre, vase comunicante și alte instrumente.
Toate experimentele împreună și fiecare separat au respins teoria lui Dalton conform căreia lichidele omogene se extind proporțional cu pătratul temperaturii la care sunt încălzite. Desigur, cu cât temperatura este mai mare, cu atât volumul lichidului este mai mare, dar nu a existat o relație directă între acesta. Și rata de expansiune a tuturor lichidelor a fost diferită.
Expansiunea termică a apei, de exemplu, începe la zero grade Celsius și continuă pe măsură ce temperatura scade. Anterior, astfel de rezultate experimentale erau asociate cu faptul că nu apa în sine se dilată, ci recipientul în care se află cel care se îngustează. Dar ceva timp mai târziu, fizicianul DeLuca a ajuns în sfârșit la ideea că cauza ar trebui căutată în lichidul însuși. El a decis să găsească temperatura cu cea mai mare densitate. Cu toate acestea, a eșuat din cauza neglijării unor detalii. Rumfort, care a studiat acest fenomen, a constatat că densitatea maximă a apei se observă în intervalul de la 4 la 5 grade Celsius.
Expansiunea termică a corpurilor
La solide, mecanismul principal de expansiune este o modificare a amplitudinii vibrației rețelei cristaline. Cu cuvinte simple, atomii care alcătuiesc materialul și sunt legați rigid unul de celălalt încep să „tremure”.
Legea expansiunii termice a corpurilor este formulată astfel: orice corp cu dimensiunea liniară L în procesul de încălzire prin dT (delta T este diferența dintre temperaturile inițiale și cele finale), se extinde cu dL (delta L este derivata coeficientul de dilatare termică liniară în funcție de lungimea obiectului și de diferența de temperatură). Aceasta este cea mai simplă versiune a acestei legi, care, implicit, ia în considerare faptul că corpul se extinde în toate direcțiile deodată. Dar pentru munca practică, se folosesc calcule mult mai greoaie, deoarece, în realitate, materialele se comportă diferit decât modelat de fizicieni și matematicieni.
Expansiunea termică a șinei
Inginerii fizicieni sunt întotdeauna implicați în așezarea șinelor de cale ferată, deoarece pot calcula cu exactitate ce distanță ar trebui să fie între îmbinările șinelor, astfel încât șinele să nu se deformeze atunci când sunt încălzite sau răcite.
După cum sa menționat mai sus, dilatarea liniară termică se aplică tuturor solidelor. Și șina nu a făcut excepție. Dar există un detaliu. Schimbarea liniară are loc liber dacă corpul nu este afectat de frecare. Șinele sunt atașate rigid de traverse și sudate pe șinele adiacente, prin urmare legea care descrie modificarea lungimii ține cont de depășirea obstacolelor sub formă de rezistențe liniare și cap la cap.
Dacă șina nu își poate schimba lungimea, atunci odată cu o schimbare a temperaturii, stresul termic crește în ea, care poate fie să o întindă, fie să o comprima. Acest fenomen este descris de legea lui Hooke.
