Повечето материали се разширяват при нагряване, но има няколко уникални вещества, които се държат по различен начин. Инженерите от Caltech са открили за първи път как един от тези интригуващи 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 повечето различни области, например във високопрецизни механизми като часовници, които трябва да поддържат висока точност дори при температурни колебания.

Когато твърдите материали се нагряват, по-голямата част от топлината се губи от атомни вибрации. В обикновените материали тези вибрации раздалечават атомите, което води до разширяване на материала. 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 атомните вибрации причиняват свиване 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. Свойствата на материала са изследвани и в неутронната лаборатория на комплекса ORNL в Тенеси.

Резултатите от изследването предоставиха за първи път ясна картина за това как материалът се компресира. За да разберете този процес, трябва да си представите атомите на скандия и флуора като топки, свързани една с друга 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-голямата изненада беше фактът, че по време на силни вибрации енергията на флуорния атом е пропорционална на четвъртата степен на изместване (вибрация на четвърта степен или биквадратична вибрация). Освен това повечето материали се характеризират с хармонични (квадратични) вибрации, като възвратно-постъпателното движение на пружини и махала.

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

водят...

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

Това откритие ще доведе до по-задълбочено разбиране на поведението на всички видове вещества, а 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 различни приложения, като високопрецизни механизми като часовници, които трябва да останат много точни дори когато температурата варира.

Когато твърдите материали се нагряват, по-голямата част от топлината се губи от атомни вибрации. В обикновените материали тези вибрации раздалечават атомите, което води до разширяване на материала. 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 атомните вибрации причиняват свиване 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 адрес на страница (URL)
– след „счупен“ (неработещ, некоректен) линк
– исканата страница никога не е била на сайта или е била изтрита

Можете да:

– върнете се назад, като използвате бутона Назад на браузъра
– проверете правилното изписване 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. Свойствата на материала са изследвани и в неутронната лаборатория на комплекса ORNL в Тенеси.

Резултатите от изследването предоставиха за първи път ясна картина за това как материалът се компресира. За да разберете този процес, трябва да си представите атомите на скандия и флуора като топки, свързани една с друга 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-голямата изненада беше фактът, че по време на силни вибрации енергията на флуорния атом е пропорционална на четвъртата степен на изместване (вибрация на четвърта степен или биквадратична вибрация). Освен това повечето материали се характеризират с хармонични (квадратични) вибрации, като възвратно-постъпателното движение на пружини и махала.

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

Известно е, че под въздействието на топлината частиците ускоряват своето хаотично движение. Ако загреете газ, молекулите, които го съставят, просто се разлитат 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.

Термично разширение: Определение

Топлинното разширение е промяната в размера и формата на телата с промени в температурата. Математически е възможно да се изчисли коефициентът на обемно разширение, което ни позволява да предвидим поведението на газовете и течностите при променящи се условия. външни условия. За да получите същите резултати за твърди вещества, необходимо е да се вземе предвид Физиците отделиха цял раздел за този вид изследване и го нарекоха дилатометрия.

Инженерите и архитектите се нуждаят от поведенчески познания различни материалипод влияние на високи и ниски температуриза проектиране на сгради, прокарване на пътища и тръби.

Разширяване на газове

Топлинното разширение на газовете е придружено от разширяване на обема им в пространството. Това е забелязано от натурфилософите в древността, но само съвременните физици са успели да конструират математически изчисления.

На първо място, учените се заинтересуваха от разширяването на въздуха, тъй като им се струваше осъществима задача. Толкова ревностно се заеха с работата, че получиха доста противоречиви резултати. Естествено, научната общност не беше доволна от този резултат. Точността на измерването зависи от вида на използвания термометър, налягането и много други условия. Някои физици дори стигнаха до извода, че разширяването на газовете не зависи от промените в температурата. Или тази зависимост не е пълна...

Произведения на Далтон и Гей-Люсак

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

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

Далтън изучава този въпрос по-дълго от колегата си и публикува резултатите обратно в началото на XIXвек. 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 пара се разширяват с коефициент 0,376. Лусак излезе с число 0,375. Ето какво стана официален резултатизследвания.

Налягане на водните пари

Топлинното разширение на газовете зависи от тяхната еластичност, тоест способността им да се връщат към първоначалния си обем. Зиглер е първият, който изследва този въпрос в средата на осемнадесети век. Но резултатите от експериментите му се различават твърде много. По-надеждни данни бяха получени от тези, които го използваха за високи температуриКотлето на тати, а за ниските - барометър.

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 емпиричнопроверете всички изчисления с помощта на сифонен барометър. Въпреки факта, че температурата не е еднаква при всички експерименти, резултатите са много точни. Затова той ги публикува под формата на таблица в своя учебник по физика.

Теория на изпарението

Топлинното разширение на газовете (като физическа теория) е претърпяло различни промени. Учените са се опитали да стигнат до дъното на процесите, които произвеждат пара. Тук отново се отличи вече известният физик Далтон. Той предположи, че всяко пространство е наситено с газови пари, независимо дали има някакъв друг газ или пара в този резервоар (стая). 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, т.е. насърчава образуването на пара. Но силата на гравитацията продължава да действа върху молекулите на парата, така че учените вярват в това атмосферно наляганене влияе по никакъв начин на изпарението на течности.

Разширяване на течности

Термичното разширение на течностите се изучава паралелно 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. 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 експериментални резултати се свързваха с факта, че не самата вода се разширява, а съдът, в който се намира, се стеснява. Но известно време по-късно физикът Делука най-накрая стигна до идеята, 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 промяна в амплитудата на вибрациите на кристалната решетка. Ако говорим с прости думи, тогава 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 (delta T е разликата между началната и крайната температура), се разширява с dL (delta L е производната на коефициент 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 работате използват много по-тромави изчисления, тъй като в действителност материалите се държат различно от симулираното от физици и математици.

Термично разширение на релсата

Инженерите по физика винаги участват в полагането на железопътни релси, тъй като те могат точно да изчислят какво разстояние трябва да бъде между релсите, така че релсите да не се деформират при нагряване или охлаждане.

Както бе споменато по-горе, топлинното линейно разширение се отнася за всички твърди вещества. И релсата не беше изключение. Но има една подробност. Линейната промяна се извършва свободно, ако тялото не е засегнато от триене. Релсите са здраво закрепени към траверсите и са заварени към съседни релси, поради което законът, който описва промяната в дължината, взема предвид 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 топлинното напрежение, което може или да се разтегне, или да я компресира. Това явление се описва от закона на Хук.