ведуть...
11.11.2011, ПТ, 15:58, МскБільшість матеріалів розширюються при нагріванні, але є кілька унікальних речовин, які поводяться по-іншому. Інженери Каліфорнійського технологічного інституту вперше з'ясували, яким чином один із цих цікавих матеріалів, трифторид скандію (ScF3), стискується при нагріванні.
Це відкриття призведе до глибшого розуміння поведінки всіх видів речовин, а також дозволить створювати нові матеріали з унікальними властивостями. Матеріали, які не розширюються при нагріванні, - не просто наукова дивина. Вони корисні в різних сферах, наприклад, у високоточних механізмах на зразок годин, які повинні зберігати високу точність ходу навіть при коливаннях температури.
Коли нагрівають тверді матеріали, більшість тепла йде коливання атомів. У звичайних матеріалах ці коливання «розсувають» атоми, у результаті матеріал розширюється. Однак деякі речовини мають унікальні кристалічні структури, що змушують їх скорочуватися при нагріванні. Ця властивість називається негативним тепловим розширенням. На жаль, ці кристалічні структури дуже складні, і вчені досі були не в змозі побачити, як коливання атомів призводять до скорочення розмірів матеріалу.
Помилка 404. Неможливо знайти сторінку.
Можливо, це сталося з однієї з цих причин:
– помилка при наборі адреси сторінки (URL)
– перехід за «битою» (непрацюючою, неправильною) посиланням
– запитуваної сторінки ніколи не було на сайті або вона була видалена
Ви можете:
– повернутися назад за допомогою кнопки браузера Назад (Back)
– перевірити правильність написання адреси сторінки (URL)
– скористатися карткою сайту або перейти на головну сторінку
Ситуація змінилася завдяки відкриттю у 2010 році негативного теплового розширення у ScF3, порошкоподібної речовини з відносно простою кристалічною структурою. Щоб з'ясувати, як його атоми вібрують під впливом високої температури, американські вчені використовували комп'ютер моделювання поведінки кожного атома. Також властивості матеріалу вивчалися у нейтронній лабораторії комплексу ORNL у штаті Теннесі.
Результати дослідження вперше дали чітку картину, як стискається матеріал. Для того щоб зрозуміти цей процес, потрібно уявити атоми скандію та фтору кулями, з'єднаними один з одним пружинами. Більш легкий атом фтору пов'язаний із двома важчими атомами скандію. При підвищенні температури всі атоми починають розгойдуватися в кількох напрямках, але через лінійне розташування атома фтору і двох атомів скандія перший більше вібрує у напрямках, перпендикулярних до пружин. З кожним ваганням фтор притягує атоми скандію один до одного. Оскільки це відбувається по всьому матеріалу, він скорочується у розмірах.
Найбільше здивування викликав той факт, що при сильних коливаннях енергія атома фтору пропорційна четвертому ступеню переміщення (коливання четвертого ступеня або біквадратичне коливання). При цьому для більшості матеріалів характерні гармонійні (квадратичні) коливання, такі як зворотно-поступальний рух пружин та маятників.
За заявою авторів відкриття, практично чистий квантовий осцилятор четвертого ступеня ніколи раніше не був зафіксований у кристалах. Це означає, що вивчення ScF3 у перспективі дозволить створити матеріали з унікальними тепловими властивостями.
Більшість матеріалів розширюються при нагріванні, але є кілька унікальних речовин, які поводяться по-іншому. Інженери Каліфорнійського технологічного інституту вперше з'ясували, яким чином один із цих цікавих матеріалів, трифторид скандію (ScF3), стискується при нагріванні.
Це відкриття призведе до глибшого розуміння поведінки всіх видів речовин, а також дозволить створювати нові матеріали з унікальними властивостями. Матеріали, які не розширюються при нагріванні, - не просто наукова дивина. Вони корисні в різних сферах, наприклад, у високоточних механізмах на зразок годин, які повинні зберігати високу точність ходу навіть при коливаннях температури.
Коли нагрівають тверді матеріали, більшість тепла йде коливання атомів. У звичайних матеріалах ці коливання «розсувають» атоми, у результаті матеріал розширюється. Однак деякі речовини мають унікальні кристалічні структури, що змушують їх скорочуватися при нагріванні. Ця властивість називається негативним тепловим розширенням. На жаль, ці кристалічні структури дуже складні, і вчені досі були не в змозі побачити, як коливання атомів призводять до скорочення розмірів матеріалу.
Ситуація змінилася завдяки відкриттю у 2010 році негативного теплового розширення у ScF3, порошкоподібної речовини з відносно простою кристалічною структурою. Щоб з'ясувати, як його атоми вібрують під впливом високої температури, американські вчені використовували комп'ютер моделювання поведінки кожного атома. Також властивості матеріалу вивчалися у нейтронній лабораторії комплексу ORNL у штаті Теннесі.
Результати дослідження вперше дали чітку картину, як стискається матеріал. Для того щоб зрозуміти цей процес, потрібно уявити атоми скандію та фтору кулями, з'єднаними один з одним пружинами. Більш легкий атом фтору пов'язаний із двома важчими атомами скандію. При підвищенні температури всі атоми починають розгойдуватися в кількох напрямках, але через лінійне розташування атома фтору і двох атомів скандія перший більше вібрує у напрямках, перпендикулярних до пружин. З кожним ваганням фтор притягує атоми скандію один до одного. Оскільки це відбувається по всьому матеріалу, він скорочується у розмірах.
Найбільше здивування викликав той факт, що при сильних коливаннях енергія атома фтору пропорційна четвертому ступеню переміщення (коливання четвертого ступеня або біквадратичне коливання). При цьому для більшості матеріалів характерні гармонійні (квадратичні) коливання, такі як зворотно-поступальний рух пружин та маятників.
За заявою авторів відкриття, практично чистий квантовий осцилятор четвертого ступеня ніколи раніше не був зафіксований у кристалах. Це означає, що вивчення ScF3 у перспективі дозволить створити матеріали з унікальними тепловими властивостями.
Дослідження вчених із США показали, що матеріал, якому властиво стискатися при нагріванні, відрізняється особливим типом атомних коливань, які не спостерігаються у будь-яких інших речовинах.Зазвичай нагрівання змушує речовини розширюватись. Але існують окремі кристалічні речовини, які властиві стиску при нагріванні або, як заведено говорити в науковому світі, які мають негативний коефіцієнт теплового розширення. Подібні матеріали мають велике практичне значення: їх можна поєднувати, наприклад, з традиційними на сьогоднішній день матеріалами для зубних пломб, дзеркал для телескопів та інших об'єктів, яким необхідно мати фіксовані розміри в широкому діапазоні температур. Хорошим прикладом подібної речовини є вольфрамат цирконію (ZrW 2 O 8), що демонструє стиснення на 0,001% градусів за шкалою Кельвіна в діапазоні тисячі градусів. Відповідно до геометричної моделі вольфрамату цирконію, тетраедри та октаедри, з яких сформована кристалічна структура речовини, залишаються жорсткими, але можуть повертатися навколо своєї осі при нагріванні, що зменшує обсяг матеріалу за рахунок утворення складок усередині його структури. Ці кристалічні структури утворюють звані жорсткі моди коливань.
В одному з представників класу речовин з негативним коефіцієнтом теплового розширення вчені з California Institute of Technology (США) нещодавно виявили коливання кристалічної решітки, що раніше не спостерігалися. Якщо уявляти ці коливання з погляду механіки, то жорсткість «атомної пружини», визначальна параметри коливань, у разі збільшується при розтягуванні «пружини», на відміну класичного випадку атомних коливань, де ця «ефективна жорсткість» залишається постійної. Детальні результати роботи опубліковано в журналі Physical Review Letters.
На думку вчених, при моделюванні жорстких мод коливань зазвичай не враховувалися сили, що контролюють рух окремих об'єктів. Це тому, що у подібних кристалах вкрай складно розрахувати сили всередині комплексу. У тому ж вольфраматі цирконію елементарна комірка, що періодично повторюється всередині кристала, включає 44 атоми. Але нещодавно вчені виявили, що з'єднання скандію трифториду (ScF 3) має порівняні з вольфраматом цирконію характеристики в діапазоні температур від 10 до 1100 градусів за шкалою Кельвіна. В елементарному осередку кристала цієї речовини всього 4 атоми, взаємодії яких набагато легше аналізувати.
Для оцінки сил, що діють всередині елементарного осередку трифториду скандію, дослідники оцінили спектр коливань кристалічних ґрат за допомогою розсіювання нейтронів. Особливо їх цікавила резонансна частота різних мод коливань усередині ґрат. Вимірювання проводили в діапазоні від 7 до 750 градусів за шкалою Кельвіна. Як і очікувалося, більшість мод коливань практично не змінювали частоти свого резонансу при зміні температури. Однак одна з мод дивним чином зміщувала свою резонансну частоту в область високих частот, ніби у неї збільшувалася жорсткість при підвищенні температури.
Провівши розрахунок виявленого феномену, вчені виявили, що більшість мод коливань потенційна енергія збільшується пропорційно квадрату відстані між атомами. Але для окремих мод діє залежність від четвертого ступеня відстані. Це цілком підтверджувалося експериментальними фактами, виявленими під час нейтронного розсіювання.
Виявлені коливання четвертого ступеня є величезну і не досліджену область фізики кристалів, адже вищі моди коливань можуть відігравати певну роль і властивості інших речовин, тобто. потенційно дослідження в цій галузі могли б призвести до розробки матеріалів із новими тепловими властивостями. Більше того, вчені вважають, що їх відкриття може спричинити необхідність модифікації існуючих теорій поведінки речовин, що стискаються при нагріванні.
Відомо, що під впливом тепла частки прискорюють свій хаотичний рух. Якщо нагрівати газ, то молекули, що становлять його, просто розлетяться одна від одної. Нагріта рідина спочатку збільшиться в об'ємі, а потім випаровується. А що буде із твердими тілами? Не кожний з них може змінити свій агрегатний стан.
Термічне розширення: визначення
Теплове розширення - це зміна розмірів та форми тіл за зміни температури. Математично можна вирахувати об'ємний коефіцієнт розширення, що дозволяє спрогнозувати поведінку газів і рідин у зовнішніх умовах, що змінюються. Щоб отримати такі ж результати для твердих тіл, необхідно враховувати Фізики виділили цілий розділ для таких досліджень і назвали його дилатометрією.
Інженерам та архітекторам необхідні знання щодо поведінки різних матеріалів під впливом високих та низьких температур для проектування будівель, прокладання доріг та труб.
Розширення газів
Теплове розширення газів супроводжується розширенням їх обсягу просторі. Це помітили філософи-природники ще в давнину, але побудувати математичні розрахунки вийшло тільки у сучасних фізиків.
Насамперед вчені зацікавилися розширенням повітря, оскільки це здавалося їм посильним завданням. Вони настільки завзято взялися до справи, що отримали досить суперечливі результати. Звичайно, такий результат наукове співтовариство не задовольнив. Точність виміру залежала від того, який використовувався термометр, від тиску та багатьох інших умов. Деякі фізики навіть дійшли думки, що розширення газів залежить від зміни температури. Або ця залежність не повна...
Роботи Дальтона та Гей-Люссака
Фізики продовжували б сперечатися до хрипоти або закинули б виміри, якби не Він і ще один фізик, Гей-Люссак, одночасно одночасно один від одного змогли отримати однакові результати вимірювань.
Люссак намагався знайти причину такої кількості різних результатів і помітив, що у деяких приладах на момент досвіду була вода. Природно, у процесі нагрівання вона перетворювалася на пару і змінювала кількість та склад досліджуваних газів. Тому перше, що зробив учений, - це ретельно висушив усі інструменти, які використав для проведення експерименту, та виключив навіть мінімальний відсоток вологості з досліджуваного газу. Після всіх цих маніпуляцій перші кілька дослідів виявилися достовірнішими.
Дальтон займався цим питанням довше за свого колеги і опублікував результати ще на самому початку XIX століття. Він висушував повітря парами сірчаної кислоти, та був нагрівав його. Після серії дослідів Джон дійшов висновку, що всі гази та пари розширюються на коефіцієнт 0,376. У Люссака вийшло число 0,375. Це стало офіційним результатом дослідження.
Пружність водяної пари
Теплове розширення газів залежить від їхньої пружності, тобто здатності повертатися у вихідний обсяг. Першим це питання став досліджувати Циглер у середині вісімнадцятого століття. Але результати його дослідів надто різнилися. Більш достовірні цифри отримав який використовував для високих температур татовий котел, а для низьких - барометр.
Наприкінці XVIII століття французький фізик Проні зробив спробу вивести єдину формулу, яка б описувала пружність газів, але вона вийшла надто громіздка та складна у використанні. Дальтон вирішив досвідченим шляхом перевірити всі розрахунки, використовуючи при цьому сифонний барометр. Незважаючи на те, що температура не у всіх дослідах була однакова, результати вийшли дуже точними. Тому він опублікував їх у вигляді таблиці у своєму підручнику з фізики.
Теорія випаровування
Теплове розширення газів (як фізична теорія) зазнавала різних змін. Вчені намагалися дістатися суті процесів, у яких виходить пара. Тут знову відзначився відомий вже нам фізик Дальтон. Він висловив гіпотезу, що будь-який простір насичується парами газу незалежно від того, чи є в цьому резервуарі (приміщенні) якийсь інший газ або пара. Отже, можна зробити висновок, що рідина не випаровуватиметься, просто входячи в дотик з атмосферним повітрям.
Тиск стовпа повітря на поверхню рідини збільшує простір між атомами, відриваючи їх один від одного та випаровуючи, тобто сприяє утворенню пари. Але на молекули пари продовжує діяти сила тяжіння, тому вчені вважали, що атмосферний тиск ніяк не впливає на випаровування рідин.
Розширення рідин
Теплове розширення рідин досліджували паралельно із розширенням газів. Науковими дослідженнями займалися ті самі вчені. Для цього вони використовували термометри, аерометри, сполучені судини та інші інструменти.
Усі досліди разом і кожен окремо спростували теорію Дальтона у тому, що однорідні рідини розширюються пропорційно квадрату температури, яку їх нагрівають. Звичайно, чим вища температура, тим більше обсяг рідини, але прямої залежності між ним не було. Та й швидкість розширення у всіх рідин була різною.
Теплове розширення води, наприклад, починається з нуля градусів за Цельсієм і продовжується зі зниженням температури. Раніше такі результати дослідів пов'язували з тим, що розширюється не сама вода, а звужується ємність, де вона знаходиться. Але через деякий час фізик Делюка таки прийшов до думки, що причину слід шукати в самій рідині. Він вирішив знайти температуру її найбільшої густини. Однак це йому не вдалося через нехтування деякими деталями. Румфорт, який займався вивченням цього явища, встановив, що максимальна густина води спостерігається в межах від 4 до 5 градусів за Цельсієм.
Теплове розширення тіл
У твердих тілах головним механізмом розширення є зміна амплітуди коливань кристалічних ґрат. Якщо говорити простими словами, то атоми, що входять до складу матеріалу і жорстко зчеплені між собою, починають «тремтіти».
Закон теплового розширення тіл сформульований так: будь-яке тіло з лінійним розміром L у процесі нагрівання на dT (дельта Т - різниця між початковою температурою та кінцевою), розширюється на величину dL (дельта L - це похідна коефіцієнта лінійного теплового розширення на довжину об'єкта та на різницю температури). Це найпростіший варіант цього закону, який за умовчанням враховує, що тіло розширюється одразу на всі боки. Але для практичної роботи використовують куди більш громіздкі обчислення, тому що насправді матеріали поводяться не так, як змодельовано фізиками та математиками.
Теплове розширення рейки
Для прокладання залізничного полотна завжди залучають інженерів-фізиків, оскільки вони можуть точно обчислити, яка відстань повинна бути між стиками рейок, щоб при нагріванні або охолодженні колії не деформувалися.
Як було зазначено вище, теплове лінійне розширення застосовується всім твердих тіл. І рейка не стала винятком. Але є одна деталь. Лінійна зміна вільно відбувається у тому випадку, якщо на тіло не впливає сила тертя. Рейки жорстко прикріплені до шпал і зварені із сусідніми рейками, тому закон, який описує зміну довжини, враховує подолання перешкод у вигляді погонних та стикових опорів.
Якщо рейка не може змінити свою довжину, то зі зміною температури в ній наростає теплова напруга, яка може як розтягнути, так і стиснути її. Цей феномен описується законом Гука.
