Повечето материали се разширяват при нагряване, но има няколко уникални вещества, които се държат по различен начин. Инженерите от Caltech за първи път разбраха как един от тези любопитни материали, скандиев трифлуорид (ScF3), се свива при нагряване.

Това откритие ще доведе до по-задълбочено разбиране на поведението на всички видове вещества и също така ще позволи създаването на нови материали с уникални свойства. Материалите, които не се разширяват при нагряване, не са само научно любопитство. Те са полезни в голямо разнообразие от приложения, като високопрецизни механизми като часовници, които трябва да поддържат висока точност дори при температурни колебания.

Когато твърдите материали се нагряват, по-голямата част от топлината преминава във вибрации на атомите. В обикновените материали тези вибрации "бутат" атомите, карайки материала да се разширява. Някои вещества обаче имат уникални кристални структури, които ги карат да се свиват при нагряване. Това свойство се нарича отрицателно термично разширение. За съжаление, тези кристални структури са много сложни и учените досега не са успели да видят как вибрациите на атомите водят до намаляване на размера на материала.

Това се промени с откриването през 2010 г. на отрицателно топлинно разширение в ScF3, прахообразно вещество със сравнително проста кристална структура. За да разберат как неговите атоми вибрират, когато са изложени на топлина, американски учени са използвали компютър, за да симулират поведението на всеки атом. Също така свойствата на материала са изследвани в неутронната лаборатория на комплекса ORNL в Тенеси.

Резултатите от изследването дават първата ясна картина за това как се компресира материалът. За да разберем този процес, е необходимо да си представим атомите скандий и флуор като топки, свързани помежду си с пружини. По-лекият флуорен атом е свързан с два по-тежки скандиеви атома. С повишаването на температурата всички атоми започват да се люлеят в няколко посоки, но поради линейното разположение на флуорния атом и двата скандиеви атома, първият вибрира повече в посоки, перпендикулярни на пружините. С всяка вибрация флуорът привлича скандиеви атоми един към друг. Тъй като това се случва в целия материал, той се свива по размер.

Най-голяма изненада предизвика фактът, че по време на силни флуктуации енергията на флуорния атом е пропорционална на четвъртата степен на изместване (вибрация четвърта степен или биквадратична вибрация). В същото време повечето материали се характеризират с хармонични (квадратични) трептения, като възвратно-постъпателното движение на пружини и махала.

Според авторите на откритието практически чист квантов осцилатор от четвърта степен никога досега не е бил регистриран в кристали. Това означава, че изследването на ScF3 в бъдеще ще направи възможно създаването на материали с уникални топлинни свойства.

водя...

Повечето материали се разширяват при нагряване, но има няколко уникални вещества, които се държат по различен начин. Инженерите от Caltech за първи път разбраха как един от тези любопитни материали, скандиев трифлуорид (ScF3), се свива при нагряване.

Това откритие ще доведе до по-задълбочено разбиране на поведението на всички видове вещества и също така ще позволи създаването на нови материали с уникални свойства. Материалите, които не се разширяват при нагряване, не са само научно любопитство. Те са полезни в голямо разнообразие от приложения, като високопрецизни механизми като часовници, които трябва да поддържат висока точност дори при температурни колебания.

Когато твърдите материали се нагряват, по-голямата част от топлината преминава във вибрации на атомите. В обикновените материали тези вибрации "бутат" атомите, карайки материала да се разширява. Някои вещества обаче имат уникални кристални структури, които ги карат да се свиват при нагряване. Това свойство се нарича отрицателно термично разширение. За съжаление, тези кристални структури са много сложни и учените досега не са успели да видят как вибрациите на атомите водят до намаляване на размера на материала.

Грешка 404. Страницата не може да бъде намерена.

Това може да се е случило поради една от следните причини:

– грешка при въвеждане на адреса на страницата (URL)
– следване на „счупена“ (повредена, неправилна) връзка
– исканата страница никога не е била на сайта или е била изтрита

Можеш:

– върнете се назад, като използвате бутона Назад на браузъра
– проверка на правописа на адреса на страницата (URL)
– използвайте картата на сайта или отидете на главната страница

Това се промени с откриването през 2010 г. на отрицателно топлинно разширение в ScF3, прахообразно вещество със сравнително проста кристална структура. За да разберат как неговите атоми вибрират, когато са изложени на топлина, американски учени са използвали компютър, за да симулират поведението на всеки атом. Също така свойствата на материала са изследвани в неутронната лаборатория на комплекса ORNL в Тенеси.

Резултатите от изследването дават първата ясна картина за това как се компресира материалът. За да разберем този процес, е необходимо да си представим атомите скандий и флуор като топки, свързани помежду си с пружини. По-лекият флуорен атом е свързан с два по-тежки скандиеви атома. С повишаването на температурата всички атоми започват да се люлеят в няколко посоки, но поради линейното разположение на флуорния атом и двата скандиеви атома, първият вибрира повече в посоки, перпендикулярни на пружините. С всяка вибрация флуорът привлича скандиеви атоми един към друг. Тъй като това се случва в целия материал, той се свива по размер.

Най-голяма изненада предизвика фактът, че по време на силни флуктуации енергията на флуорния атом е пропорционална на четвъртата степен на изместване (вибрация четвърта степен или биквадратична вибрация). В същото време повечето материали се характеризират с хармонични (квадратични) трептения, като възвратно-постъпателното движение на пружини и махала.

Според авторите на откритието практически чист квантов осцилатор от четвърта степен никога досега не е бил регистриран в кристали. Това означава, че изследването на ScF3 в бъдеще ще направи възможно създаването на материали с уникални топлинни свойства.

Известно е, че под въздействието на топлината частиците ускоряват хаотичното си движение. Ако загреете газ, тогава молекулите, които го съставят, просто ще се разпръснат една от друга. Нагрятата течност първо ще увеличи обема си и след това ще започне да се изпарява. Какво ще се случи с твърдите вещества? Не всеки от тях може да промени агрегатното си състояние.

Топлинно разширение: определение

Топлинното разширение е промяна на размера и формата на телата с промяна на температурата. Математически е възможно да се изчисли коефициентът на обемно разширение, което прави възможно прогнозирането на поведението на газовете и течностите при променящи се външни условия. За да се получат същите резултати за твърди тела, е необходимо да се вземе предвид.Физиците са отделили цял раздел за този вид изследване и го нарекли дилатометрия.

Инженерите и архитектите се нуждаят от знания за поведението на различни материали под въздействието на високи и ниски температури за проектиране на сгради, полагане на пътища и тръби.

Разширяване на газове

Топлинното разширение на газовете е придружено от разширяване на обема им в пространството. Това е забелязано от естествените философи в древността, но само съвременните физици успяха да изградят математически изчисления.

На първо място, учените се заинтересуваха от разширяването на въздуха, тъй като им се струваше осъществима задача. Те се заеха с работата толкова ревностно, че получиха доста противоречиви резултати. Естествено, научната общност не беше доволна от такъв резултат. Точността на измерването зависи от използвания термометър, налягането и редица други условия. Някои физици дори са стигнали до извода, че разширяването на газовете не зависи от промените в температурата. Или тази връзка е незавършена?

Произведения на Далтън и Гей-Люсак

Физиците щяха да продължат да спорят, докато станат дрезгави или щяха да се откажат от измерванията, ако не Той и друг физик, Гей-Лусак, по едно и също време, независимо един от друг, можеха да получат същите резултати от измерванията.

Лусак се опитал да открие причината за толкова много различни резултати и забелязал, че някои от устройствата по време на експеримента имали вода. Естествено, в процеса на нагряване той се превръща в пара и променя количеството и състава на изследваните газове. Следователно първото нещо, което ученият направи, беше да изсуши добре всички инструменти, които използва за провеждане на експеримента, и да изключи дори минималния процент влага от изследвания газ. След всички тези манипулации първите няколко експеримента се оказаха по-надеждни.

Далтън се занимава с този въпрос по-дълго от колегата си и публикува резултатите в самото начало на 19 век. Той изсушава въздуха с пари на сярна киселина и след това го нагрява. След поредица от експерименти Джон стигна до заключението, че всички газове и пари се разширяват с коефициент 0,376. Лусак излезе с числото 0,375. Това беше официалният резултат от проучването.

Налягане на водните пари

Топлинното разширение на газовете зависи от тяхната еластичност, тоест способността им да се връщат към първоначалния си обем. Циглер е първият, който изследва този въпрос в средата на осемнадесети век. Но резултатите от експериментите му се различават твърде много. По-надеждни цифри бяха получени чрез използване на котел за високи температури и барометър за ниски температури.

В края на 18 век френският физик Прони се опитва да изведе една-единствена формула, която да описва еластичността на газовете, но се оказва твърде тромава и трудна за използване. Далтън реши да провери емпирично всички изчисления, използвайки за това сифонен барометър. Въпреки факта, че температурата не е еднаква при всички експерименти, резултатите са много точни. Затова ги публикува като таблица в учебника си по физика.

Теория на изпарението

Топлинното разширение на газовете (като физическа теория) е претърпяло различни промени. Учените се опитаха да стигнат до дъното на процесите, при които се произвежда парата. Тук отново се отличи известният физик Далтон. Той предположи, че всяко пространство е наситено с газови пари, независимо дали в този резервоар (стая) има друг газ или пара. Следователно може да се заключи, че течността няма да се изпари просто като влезе в контакт с атмосферния въздух.

Налягането на въздушния стълб върху повърхността на течността увеличава пространството между атомите, разкъсвайки ги и изпарявайки се, тоест допринася за образуването на пара. Но гравитацията продължава да действа върху молекулите на парата, така че учените смятат, че атмосферното налягане не влияе по никакъв начин на изпарението на течности.

Разширяване на течности

Термичното разширение на течностите се изучава успоредно с разширението на газовете. Същите учени се занимаваха с научни изследвания. За да направят това, те използваха термометри, аерометри, комуникационни съдове и други инструменти.

Всички експерименти заедно и всеки поотделно опровергаха теорията на Далтън, че хомогенните течности се разширяват пропорционално на квадрата на температурата, до която се нагряват. Разбира се, колкото по-висока е температурата, толкова по-голям е обемът на течността, но няма пряка връзка между това. Да, и скоростта на разширение на всички течности беше различна.

Топлинното разширение на водата, например, започва при нула градуса по Целзий и продължава с понижаването на температурата. Преди това подобни резултати от експерименти се свързваха с факта, че не самата вода се разширява, а контейнерът, в който се намира, се стеснява. Но известно време по-късно физикът Делука все пак стигна до извода, че причината трябва да се търси в самата течност. Той реши да намери температурата на най-голямата му плътност. Той обаче не успя поради пренебрегване на някои детайли. Румфорт, който изучава това явление, установи, че максималната плътност на водата се наблюдава в диапазона от 4 до 5 градуса по Целзий.

Топлинно разширение на телата

В твърдите тела основният механизъм на разширение е промяната в амплитудата на вибрациите на кристалната решетка. С прости думи, атомите, които изграждат материала и са здраво свързани един с друг, започват да „треперят“.

Законът за топлинното разширение на телата се формулира по следния начин: всяко тяло с линеен размер L в процеса на нагряване с dT (делта T е разликата между началната температура и крайната температура), се разширява с dL (делта L е производна на коефициента на линейно топлинно разширение от дължината на обекта и от температурната разлика). Това е най-простата версия на този закон, която по подразбиране отчита, че тялото се разширява във всички посоки едновременно. Но за практическа работа се използват много по-тромави изчисления, тъй като в действителност материалите не се държат по начина, който се моделира от физици и математици.

Термично разширение на релсата

При полагането на железопътната линия винаги участват инженери-физици, които могат точно да изчислят какво разстояние трябва да бъде между сглобките на релсите, така че релсите да не се деформират при нагряване или охлаждане.

Както бе споменато по-горе, топлинното линейно разширение е приложимо за всички твърди вещества. И релсата не е изключение. Но има една подробност. Линейна промяна възниква свободно, ако тялото не е засегнато от силата на триене. Релсите са здраво закрепени към траверсите и са заварени към съседните релси, така че законът, който описва промяната на дължината, отчита преодоляването на препятствия под формата на линейни и челни съпротивления.

Ако релсата не може да промени дължината си, тогава с промяна на температурата в нея се увеличава термичното напрежение, което може както да се разтегне, така и да се компресира. Това явление се описва от закона на Хук.