تتمدد معظم المواد عند تسخينها ، ولكن هناك القليل من المواد الفريدة التي تتصرف بشكل مختلف. اكتشف مهندسو معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا للمرة الأولى كيف يتقلص أحد هذه المواد الغريبة ، وهو سكانديوم ثلاثي فلوريد (ScF3) ، عند تسخينه.

سيؤدي هذا الاكتشاف إلى فهم أعمق لسلوك جميع أنواع المواد ، وسيسمح أيضًا بإنشاء مواد جديدة ذات خصائص فريدة. المواد التي لا تتمدد عند تسخينها ليست مجرد فضول علمي. إنها مفيدة في مجموعة متنوعة من التطبيقات ، مثل الحركات عالية الدقة مثل الساعات ، والتي يجب أن تحافظ على دقة عالية حتى مع تقلبات درجات الحرارة.

عندما يتم تسخين المواد الصلبة ، تذهب معظم الحرارة إلى اهتزازات الذرات. في المواد العادية ، هذه الاهتزازات "تدفع" الذرات ، مما يؤدي إلى تمدد المادة. ومع ذلك ، فإن بعض المواد لها هياكل بلورية فريدة تجعلها تتقلص عند تسخينها. هذه الخاصية تسمى التمدد الحراري السلبي. لسوء الحظ ، هذه الهياكل البلورية معقدة للغاية ، ولم يتمكن العلماء حتى الآن من رؤية كيف تؤدي اهتزازات الذرات إلى تقليل حجم المادة.

تغير هذا مع اكتشاف التمدد الحراري السلبي في عام 2010 في ScF3 ، وهي مادة مسحوقية ذات بنية بلورية بسيطة نسبيًا. لمعرفة كيفية اهتزاز ذراتها عند تعرضها للحرارة ، استخدم العلماء الأمريكيون جهاز كمبيوتر لمحاكاة سلوك كل ذرة. أيضًا ، تمت دراسة خصائص المادة في المختبر النيوتروني لمركب ORNL في ولاية تينيسي.

تقدم نتائج الدراسة أول صورة واضحة لكيفية ضغط المادة. لفهم هذه العملية ، من الضروري تخيل ذرات سكانديوم وفلور ككرات متصلة ببعضها البعض بواسطة الينابيع. ذرة الفلور الأخف مرتبطة بذرتي سكانديوم أثقل. مع ارتفاع درجة الحرارة ، تبدأ جميع الذرات في التأرجح في عدة اتجاهات ، ولكن بسبب الترتيب الخطي لذرة الفلور وذرات سكانديوم ، تهتز الأولى أكثر في اتجاهات عمودية على الينابيع. مع كل اهتزاز ، يجذب الفلور ذرات سكانديوم لبعضها البعض. عندما يحدث هذا في جميع أنحاء المواد ، فإنه يتقلص في الحجم.

كانت المفاجأة الأكبر هي حقيقة أنه خلال التقلبات القوية ، تتناسب طاقة ذرة الفلور مع الدرجة الرابعة من الإزاحة (اهتزاز من الدرجة الرابعة أو اهتزاز ثنائي النواة). في الوقت نفسه ، تتميز معظم المواد بالتذبذبات التوافقية (التربيعية) ، مثل الحركة الترددية للزنبركات والبندولات.

وفقًا لمؤلفي الاكتشاف ، لم يتم تسجيل مذبذب كمي نقي عمليًا من الدرجة الرابعة في البلورات من قبل. هذا يعني أن دراسة ScF3 في المستقبل ستجعل من الممكن إنشاء مواد ذات خصائص حرارية فريدة.

قيادة...

تتمدد معظم المواد عند تسخينها ، ولكن هناك القليل من المواد الفريدة التي تتصرف بشكل مختلف. اكتشف مهندسو معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا للمرة الأولى كيف يتقلص أحد هذه المواد الغريبة ، وهو سكانديوم ثلاثي فلوريد (ScF3) ، عند تسخينه.

سيؤدي هذا الاكتشاف إلى فهم أعمق لسلوك جميع أنواع المواد ، وسيسمح أيضًا بإنشاء مواد جديدة ذات خصائص فريدة. المواد التي لا تتمدد عند تسخينها ليست مجرد فضول علمي. إنها مفيدة في مجموعة متنوعة من التطبيقات ، مثل الحركات عالية الدقة مثل الساعات ، والتي يجب أن تحافظ على دقة عالية حتى مع تقلبات درجات الحرارة.

عندما يتم تسخين المواد الصلبة ، تذهب معظم الحرارة إلى اهتزازات الذرات. في المواد العادية ، هذه الاهتزازات "تدفع" الذرات ، مما يؤدي إلى تمدد المادة. ومع ذلك ، فإن بعض المواد لها هياكل بلورية فريدة تجعلها تتقلص عند تسخينها. هذه الخاصية تسمى التمدد الحراري السلبي. لسوء الحظ ، هذه الهياكل البلورية معقدة للغاية ، ولم يتمكن العلماء حتى الآن من رؤية كيف تؤدي اهتزازات الذرات إلى تقليل حجم المادة.

خطأ 404. لا يمكن العثور على الصفحة.

ربما حدث ذلك لأحد الأسباب التالية:

- خطأ عند كتابة عنوان الصفحة (URL)
- اتباع رابط "معطل" (معطل ، غير صحيح)
- الصفحة المطلوبة لم تكن موجودة على الموقع مطلقًا أو تم حذفها

تستطيع:

- ارجع باستخدام الزر "رجوع" في المتصفح
- تدقيق إملائي لعنوان الصفحة (URL)
- استخدم خريطة الموقع أو انتقل إلى الصفحة الرئيسية

تغير هذا مع اكتشاف التمدد الحراري السلبي في عام 2010 في ScF3 ، وهي مادة مسحوقية ذات بنية بلورية بسيطة نسبيًا. لمعرفة كيفية اهتزاز ذراتها عند تعرضها للحرارة ، استخدم العلماء الأمريكيون جهاز كمبيوتر لمحاكاة سلوك كل ذرة. أيضًا ، تمت دراسة خصائص المادة في المختبر النيوتروني لمركب ORNL في ولاية تينيسي.

تقدم نتائج الدراسة أول صورة واضحة لكيفية ضغط المادة. لفهم هذه العملية ، من الضروري تخيل ذرات سكانديوم وفلور ككرات متصلة ببعضها البعض بواسطة الينابيع. ذرة الفلور الأخف مرتبطة بذرتي سكانديوم أثقل. مع ارتفاع درجة الحرارة ، تبدأ جميع الذرات في التأرجح في عدة اتجاهات ، ولكن بسبب الترتيب الخطي لذرة الفلور وذرات سكانديوم ، تهتز الأولى أكثر في اتجاهات عمودية على الينابيع. مع كل اهتزاز ، يجذب الفلور ذرات سكانديوم لبعضها البعض. عندما يحدث هذا في جميع أنحاء المواد ، فإنه يتقلص في الحجم.

كانت المفاجأة الأكبر هي حقيقة أنه خلال التقلبات القوية ، تتناسب طاقة ذرة الفلور مع الدرجة الرابعة من الإزاحة (اهتزاز من الدرجة الرابعة أو اهتزاز ثنائي النواة). في الوقت نفسه ، تتميز معظم المواد بالتذبذبات التوافقية (التربيعية) ، مثل الحركة الترددية للزنبركات والبندولات.

وفقًا لمؤلفي الاكتشاف ، لم يتم تسجيل مذبذب كمي نقي عمليًا من الدرجة الرابعة في البلورات من قبل. هذا يعني أن دراسة ScF3 في المستقبل ستجعل من الممكن إنشاء مواد ذات خصائص حرارية فريدة.

من المعروف أنه تحت تأثير الجزيئات الحرارية تسريع حركتها الفوضوية. إذا قمت بتسخين غاز ، فإن الجزيئات التي يتكون منها سوف تتشتت ببساطة من بعضها البعض. سيزداد حجم السائل المسخن أولاً ، ثم يبدأ في التبخر. ماذا سيحدث للمواد الصلبة؟ لا يمكن لكل منهم تغيير حالة التجميع الخاصة به.

التمدد الحراري: التعريف

التمدد الحراري هو تغير في حجم وشكل الأجسام مع تغير في درجة الحرارة. رياضيا ، من الممكن حساب معامل التمدد الحجمي ، مما يجعل من الممكن التنبؤ بسلوك الغازات والسوائل في الظروف الخارجية المتغيرة. للحصول على نفس النتائج بالنسبة للمواد الصلبة ، من الضروري أخذها في الاعتبار ، فقد اختار الفيزيائيون قسمًا كاملاً لهذا النوع من البحث وأطلقوا عليه قياس التوسيع.

يحتاج المهندسون والمهندسون المعماريون إلى معرفة سلوك المواد المختلفة تحت تأثير درجات الحرارة العالية والمنخفضة لتصميم المباني ورصف الطرق والأنابيب.

تمدد الغازات

يصاحب التمدد الحراري للغازات تمدد حجمها في الفضاء. لاحظ الفلاسفة الطبيعيون هذا في العصور القديمة ، لكن الفيزيائيين المعاصرين فقط هم من تمكنوا من بناء حسابات رياضية.

بادئ ذي بدء ، أصبح العلماء مهتمين بتوسع الهواء ، لأنه بدا لهم مهمة مجدية. لقد شرعوا في العمل بحماس شديد لدرجة أنهم حصلوا على نتائج متناقضة إلى حد ما. بطبيعة الحال ، لم يكن المجتمع العلمي راضيا عن مثل هذه النتيجة. تعتمد دقة القياس على مقياس الحرارة المستخدم والضغط ومجموعة متنوعة من الشروط الأخرى. حتى أن بعض علماء الفيزياء توصلوا إلى استنتاج مفاده أن تمدد الغازات لا يعتمد على التغيرات في درجة الحرارة. أم أن هذه العلاقة غير مكتملة؟

أعمال دالتون وجاي لوساك

كان الفيزيائيون سيستمرون في الجدال حتى يصبحوا أجش أو قد تخلوا عن القياسات ، لولا هو و فيزيائي آخر ، جاي لوساك ، في نفس الوقت ، بشكل مستقل عن بعضهما البعض ، يمكنهما الحصول على نفس نتائج القياس.

حاول لوساك العثور على سبب العديد من النتائج المختلفة ولاحظ أن بعض الأجهزة في وقت التجربة بها ماء. وبطبيعة الحال ، في عملية التسخين ، تحولت إلى بخار وتغيرت كمية وتركيب الغازات المدروسة. لذلك ، كان أول شيء فعله العالم هو تجفيف جميع الأدوات التي استخدمها لإجراء التجربة تمامًا ، واستبعاد حتى الحد الأدنى من نسبة الرطوبة من الغاز قيد الدراسة. بعد كل هذه التلاعبات ، تبين أن التجارب القليلة الأولى كانت أكثر موثوقية.

تعامل دالتون مع هذه القضية لفترة أطول من زميله ونشر النتائج في بداية القرن التاسع عشر. جفف الهواء ببخار حامض الكبريتيك ثم سخنه. بعد سلسلة من التجارب ، توصل جون إلى استنتاج مفاده أن جميع الغازات والأبخرة تتمدد بمعامل 0.376. جاء Lussac بالرقم 0.375. كانت هذه النتيجة الرسمية للدراسة.

ضغط بخار الماء

يعتمد التمدد الحراري للغازات على مرونتها ، أي القدرة على العودة إلى حجمها الأصلي. كان زيجلر أول من حقق في هذه القضية في منتصف القرن الثامن عشر. لكن نتائج تجاربه اختلفت كثيرًا. تم الحصول على أرقام أكثر موثوقية باستخدام مرجل لدرجات الحرارة المرتفعة ، ومقياس درجات الحرارة المنخفضة.

في نهاية القرن الثامن عشر ، حاول الفيزيائي الفرنسي بروني استنباط صيغة واحدة تصف مرونة الغازات ، ولكن تبين أنها مرهقة للغاية وصعبة الاستخدام. قرر دالتون اختبار جميع الحسابات تجريبيًا ، باستخدام مقياس السيفون لهذا الغرض. على الرغم من أن درجة الحرارة لم تكن متماثلة في جميع التجارب ، إلا أن النتائج كانت دقيقة للغاية. لذلك نشرها كجدول في كتابه في الفيزياء.

نظرية التبخر

خضع التمدد الحراري للغازات (كنظرية فيزيائية) لتغييرات مختلفة. حاول العلماء الوصول إلى الجزء السفلي من العمليات التي يتم من خلالها إنتاج البخار. هنا مرة أخرى ، ميز الفيزيائي المعروف دالتون نفسه. افترض أن أي مساحة مشبعة ببخار الغاز ، بغض النظر عن وجود أي غاز أو بخار آخر في هذا الخزان (الغرفة). لذلك ، يمكن استنتاج أن السائل لن يتبخر بمجرد ملامسته للهواء الجوي.

يزيد ضغط عمود الهواء على سطح السائل من المسافة بين الذرات ، مما يؤدي إلى تمزيقها وتبخرها ، أي أنه يساهم في تكوين البخار. لكن الجاذبية تستمر في التأثير على جزيئات البخار ، لذلك اعتبر العلماء أن الضغط الجوي لا يؤثر على تبخر السوائل بأي شكل من الأشكال.

تمدد السوائل

تمت دراسة التمدد الحراري للسوائل بالتوازي مع تمدد الغازات. شارك نفس العلماء في البحث العلمي. للقيام بذلك ، استخدموا موازين الحرارة ومقاييس الهواء والأوعية المتصلة وغيرها من الأدوات.

دحضت جميع التجارب معًا وكل منها على حدة نظرية دالتون القائلة بأن السوائل المتجانسة تتمدد بما يتناسب مع مربع درجة الحرارة التي يتم تسخينها إليها. بالطبع ، كلما ارتفعت درجة الحرارة ، زاد حجم السائل ، لكن لا توجد علاقة مباشرة بينهما. نعم ، وكان معدل التمدد لجميع السوائل مختلفًا.

على سبيل المثال ، يبدأ التمدد الحراري للماء عند صفر درجة مئوية ويستمر مع انخفاض درجة الحرارة. في السابق ، كانت نتائج التجارب هذه مرتبطة بحقيقة أنه ليس الماء نفسه هو الذي يتمدد ، ولكن الحاوية التي يقع فيها تضيق. لكن بعد مرور بعض الوقت ، توصل الفيزيائي ديلوكا إلى استنتاج مفاده أنه يجب البحث عن السبب في السائل نفسه. قرر إيجاد درجة حرارة أكبر كثافة لها. لكنه لم ينجح بسبب إهمال بعض التفاصيل. وجد رومفورت ، الذي درس هذه الظاهرة ، أن أقصى كثافة للمياه لوحظت في حدود 4 إلى 5 درجات مئوية.

التمدد الحراري للهيئات

في المواد الصلبة ، آلية التمدد الرئيسية هي تغيير في سعة اهتزازات الشبكة البلورية. بعبارات بسيطة ، تبدأ الذرات التي تتكون منها المادة والمرتبطة ببعضها البعض بشكل صارم في "الارتعاش".

تمت صياغة قانون التمدد الحراري للأجسام على النحو التالي: أي جسم بحجم خطي L في عملية التسخين بواسطة dT (دلتا T هي الفرق بين درجة الحرارة الأولية ودرجة الحرارة النهائية) ، يتمدد بمقدار dL (دلتا L هي مشتق معامل التمدد الحراري الخطي بطول الجسم وبفرق درجة الحرارة). هذا هو أبسط نسخة من هذا القانون ، والذي يأخذ في الاعتبار بشكل افتراضي أن الجسم يتمدد في جميع الاتجاهات في وقت واحد. ولكن بالنسبة للعمل العملي ، يتم استخدام حسابات أكثر تعقيدًا ، لأن المواد في الواقع لا تتصرف بالطريقة التي يصممها علماء الفيزياء والرياضيات.

التمدد الحراري للسكك الحديدية

يشارك المهندسون الفيزيائيون دائمًا في وضع مسار السكة الحديدية ، حيث يمكنهم حساب المسافة التي يجب أن تكون بين مفاصل القضبان بدقة حتى لا تتشوه المسارات عند تسخينها أو تبريدها.

كما ذكر أعلاه ، فإن التمدد الخطي الحراري قابل للتطبيق على جميع المواد الصلبة. والسكك الحديدية ليست استثناء. لكن هناك تفصيل واحد. يحدث التغيير الخطي بحرية إذا لم يتأثر الجسم بقوة الاحتكاك. ترتبط القضبان بشكل صارم بالعوارض ويتم لحامها بالقضبان المجاورة ، لذا فإن القانون الذي يصف التغيير في الطول يأخذ في الاعتبار التغلب على العوائق في شكل مقاومات خطية ومقاومة.

إذا لم تتمكن السكة من تغيير طولها ، فعند حدوث تغير في درجة الحرارة ، يزداد الإجهاد الحراري فيها ، مما قد يؤدي إلى شدها وضغطها. هذه الظاهرة موصوفة في قانون هوك.