Тепловое расширение. Исследователи выяснили, почему некоторые вещества сжимаются при нагревании Наиболее расширяемая вещества при нагревании
Изменение линейных размеров тела при нагревании пропорционально изменению температуры.
Подавляющее большинство веществ при нагревании расширяется. Это легко объяснимо с позиции механической теории теплоты , поскольку при нагревании молекулы или атомы вещества начинают двигаться быстрее. В твердых телах атомы начинают с большей амплитудой колебаться вокруг своего среднего положения в кристаллической решетке, и им требуется больше свободного пространства. В результате тело расширяется. Так же и жидкости и газы, по большей части, расширяются с повышением температуры по причине увеличения скорости теплового движения свободных молекул (см. Закон Бойля—Мариотта , Закон Шарля , Уравнение состояния идеального газа).
Основной закон теплового расширения гласит, что тело с линейным размером L в соответствующем измерении при увеличении его температуры на ΔТ расширяется на величину ΔL , равную:
ΔL = αL ΔT
где α — так называемый коэффициент линейного теплового расширения. Аналогичные формулы имеются для расчета изменения площади и объема тела. В приведенном простейшем случае, когда коэффициент теплового расширения не зависит ни от температуры, ни от направления расширения, вещество будет равномерно расширяться по всем направлениям в строгом соответствии с вышеприведенной формулой.
Для инженеров тепловое расширение — жизненно важное явление. Проектируя стальной мост через реку в городе с континентальным климатом, нельзя не учитывать возможного перепада температур в пределах от —40°C до +40°C в течение года. Такие перепады вызовут изменение общей длины моста вплоть до нескольких метров, и, чтобы мост не вздыбливался летом и не испытывал мощных нагрузок на разрыв зимой, проектировщики составляют мост из отдельных секций, соединяя их специальными термическими буферными сочленениями , которые представляют собой входящие в зацепление, но не соединенные жестко ряды зубьев, которые плотно смыкаются в жару и достаточно широко расходятся в стужу. На длинном мосту может насчитываться довольно много таких буферов.
Однако не все материалы, особенно это касается кристаллических твердых тел, расширяются равномерно по всем направлениям. И далеко не все материалы расширяются одинаково при разных температурах. Самый яркий пример последнего рода — вода. При охлаждении вода сначала сжимается, как и большинство веществ. Однако, начиная с +4°C и до точки замерзания 0°C вода начинает расширяться при охлаждении и сжиматься при нагревании (с точки зрения приведенной выше формулы можно сказать, что в интервале температур от 0°C до +4°C коэффициент теплового расширения воды α принимает отрицательное значение). Именно благодаря этому редкому эффекту земные моря и океаны не промерзают до дна даже в самые сильные морозы: вода холоднее +4°C становится менее плотной, чем более теплая, и всплывает к поверхности, вытесняя ко дну воду с температурой выше +4°C.
То, что лед имеет удельную плотность ниже плотности воды, — еще одно (хотя и не связанное с предыдущим) аномальное свойство воды, которому мы обязаны существованием жизни на нашей планете. Если бы не этот эффект, лед шел бы ко дну рек, озер и океанов, и они, опять же, вымерзли бы до дна, убив всё живое.
Известно, что под действием тепла частицы ускоряют свое хаотичное движение. Если нагревать газ, то молекулы, составляющие его, просто разлетятся друг от друга. Нагретая жидкость сначала увеличится в объеме, а затем начнет испаряться. А что будет с твердыми телами? Не каждое из них может изменить свое агрегатное состояние.
Термическое расширение: определение
Тепловое расширение - это изменение размеров и формы тел при изменении температуры. Математически можно высчитать объемный коэффициент расширения, позволяющий спрогнозировать поведение газов и жидкостей в изменяющихся внешних условиях. Чтобы получить такие же результаты для твердых тел, необходимо учитывать Физики выделили целый раздел для такого рода исследований и назвали его дилатометрией.
Инженерам и архитекторам необходимы знания о поведении разных материалов под воздействием высоких и низких температур для проектировки зданий, прокладывания дорог и труб.
Расширение газов
Тепловое расширение газов сопровождается расширением их объема в пространстве. Это заметили философы-естественники еще в глубокой древности, но построить математические расчеты получилось только у современных физиков.
В первую очередь ученые заинтересовались расширением воздуха, так как это казалось им посильной задачей. Они настолько рьяно взялись за дело, что получили довольно противоречивые результаты. Естественно, такой исход научное сообщество не удовлетворил. Точность измерения зависела от того, какой использовался термометр, от давления и множества других условий. Некоторые физики даже пришли к мнению, что расширение газов не зависит от изменения температуры. Или эта зависимость не полная...
Работы Дальтона и Гей-Люссака
Физики продолжали бы спорить до хрипоты или забросили бы измерения, если бы не Он и еще один физик, Гей-Люссак, в одно и то же время независимо друг от друга смогли получить одинаковые результаты измерений.
Люссак пытался найти причину такого количества разных результатов и заметил, что в некоторых приборах в момент опыта была вода. Естественно, в процессе нагревания она превращалась в пар и изменяла количество и состав исследуемых газов. Поэтому первое, что сделал ученый, - это тщательно высушил все инструменты, которые использовал для проведения эксперимента, и исключил даже минимальный процент влажности из исследуемого газа. После всех этих манипуляций первые несколько опытов оказались более достоверными.
Дальтон занимался этим вопросом дольше своего коллеги и опубликовал результаты еще в самом начале XIX века. Он высушивал воздух парами серной кислоты, а затем нагревал его. После серии опытов Джон пришел к выводу, что все газы и пар расширяются на коэффициент 0,376. У Люссака получилось число 0,375. Это и стало официальным результатом исследования.
Упругость водяных паров
Тепловое расширение газов зависит от их упругости, то есть способности возвращаться в исходный объем. Первым данный вопрос стал исследовать Циглер в середине восемнадцатого века. Но результаты его опытов слишком разнились. Более достоверные цифры получил который использовал для высоких температур папинов котел, а для низких - барометр.
В конце XVIII века французский физик Прони предпринял попытку вывести единую формулу, которая бы описывала упругость газов, но она получилась лишком громоздкая и сложная в использовании. Дальтон решил опытным путем проверить все расчеты, используя для этого сифонный барометр. Не смотря на то что температура не во всех опытах была одинакова, результаты получились очень точными. Поэтому он опубликовал их в виде таблицы в своем учебнике по физике.
Теория испарения
Тепловое расширение газов (как физическая теория) претерпевала различные изменения. Ученые пытались добраться до сути процессов, при которых получается пар. Здесь снова отличился известный уже нам физик Дальтон. Он высказал гипотезу, что любое пространство насыщается парами газа независимо от того, присутствует ли в этом резервуаре (помещении) какой-либо другой газ или пар. Следовательно, можно сделать вывод, что жидкость не будет испаряться, просто входя в соприкосновение с атмосферным воздухом.
Давление столба воздуха на поверхность жидкости увеличивает пространство между атомами, отрывая их друг от друга и испаряя, то есть способствует образованию пара. Но на молекулы пара продолжает действовать сила тяжести, поэтому ученые посчитали, что атмосферное давление никак не влияет на испарение жидкостей.
Расширение жидкостей
Тепловое расширение жидкостей исследовали параллельно с расширением газов. Научными изысканиями занимались те же самые ученые. Для этого они использовали термометры, аэрометры, сообщающиеся сосуды и прочие инструменты.
Все опыты вместе и каждый в отдельности опровергли теорию Дальтона о том, что однородные жидкости расширяются пропорционально квадрату температуры, на которую их нагревают. Конечно, чем выше температура, тем больше объем жидкости, но прямой зависимости между ним не было. Да и скорость расширения у всех жидкостей была разной.
Тепловое расширение воды, например, начинается с нуля градусов по Цельсию и продолжается с понижением температуры. Раньше такие результаты опытов связывали с тем, что расширяется не сама вода, а сужается емкость, в которой она находится. Но некоторое время спустя физик Делюка все-таки пришел к мысли, что причину следует искать в самой жидкости. Он решил найти температуру ее наибольшей плотности. Однако это ему не удалось ввиду пренебрежения некоторыми деталями. Румфорт, занимавшийся изучением этого явления, установил, что максимальная плотность воды наблюдается в пределах от 4 до 5 градусов по Цельсию.
Тепловое расширение тел
В твердых телах главным механизмом расширения является изменение амплитуды колебаний кристаллической решетки. Если говорить простыми словами, то атомы, входящие в состав материала и жестко сцепленные между собой, начинают «дрожать».
Закон теплового расширения тел сформулирован так: любое тело с линейным размером L в процессе нагревания на dT (дельта Т - разница между начальной температурой и конечной), расширяется на величину dL (дельта L - это производная коэффициента линейного теплового расширения на длину объекта и на разность температуры). Это самый простой вариант этого закона, который по умолчанию учитывает, что тело расширяется сразу во все стороны. Но для практической работы используют куда более громоздкие вычисления, так как в реальности материалы ведут себя не так, как смоделировано физиками и математиками.
Тепловое расширение рельса
Для прокладки железнодорожного полотна всегда привлекают инженеров-физиков, так как они могут точно вычислить, какое расстояние должно быть между стыками рельсов, чтобы при нагревании или охлаждении пути не деформировались.
Как уже было сказано выше, тепловое линейное расширение применимо для всех твердых тел. И рельс не стал исключением. Но есть одна деталь. Линейное изменение свободно происходит в том случае, если на тело не воздействует сила трения. Рельсы жестко прикреплены к шпалам и сварены с соседними рельсами, поэтому закон, который описывает изменение длинны, учитывает преодоление препятствий в виде погонных и стыковых сопротивлений.
Если рельс не может изменить свою длину, то с изменением температуры в нем нарастает тепловое напряжение, которое может как растянуть, так и сжать его. Этот феномен описывается законом Гука.
При равномерном нагревании однородного тела оно не разрушается, но неравномерный нагрев может вызвать значительные механические напряжения (внутренние нагрузки). Например, стеклянная бутылка или стакан из толстого стекла могут лопнуть, если налить в них горячей воды. Почему? В первую очередь происходит нагрев внутренних частей сосуда, соприкасающихся с горячей водой. Они расширяются и оказывают сильное давление на внешние холодные части этого же сосуда. Тонкий же стакан не лопается при наливании в него горячей воды, так как его внутренняя и внешняя части быстро и почти одномоментно прогреваются.
Разнородные материалы, подвергающиеся периодическому нагреванию и охлаждению, следует соединять вместе только тогда, когда их размеры при изменении температуры меняются одинаково (вещества имеют аналогичные коэффициенты). Это особенно важно при больших размерах изделий. Так, например, железо и бетон при нагревании расширяются одинаково. Именно поэтому широкое распространение получил железобетон – затвердевший бетонный раствор, залитый в стальную решётку. Если бы железо и бетон расширялись по-разному, то в результате суточных и годовых колебаний температуры железобетонное сооружение вскоре бы разрушилось.
Ещё несколько примеров. Металлические проводники, впаянные в стеклянные баллоны электроламп и радиоламп, делают из сплава железа и никеля, имеющего такой же коэффициент расширения, как и стекло, иначе при нагревании металла стекло треснуло бы. Эмаль, которой покрывают посуду, и металл, из которого эта посуда изготовляется, должны иметь одинаковые коэффициенты линейного расширения. В противном случае эмаль будет лопаться при нагревании и охлаждении покрытой ею посуды.
Тепловое расширение тел находит широкое применение в технике. Приведем лишь несколько примеров. Две разнородные пластины (например, железная и медная), сваренные или «склёпанные» вместе, образуют так называемую биметаллическую пластину. При нагревании такие пластины изгибаются вследствие того, что одна расширяется сильнее другой. Та из полосок (медная), которая расширяется больше, оказывается всегда с выпуклой стороны.
Это свойство биметаллических пластин широко используется для измерения температуры и её регулирования. Металлический термометр имеет спираль, сделанную из двух полос различных металлов, сваренных (или склёпанных) друг с другом. Один из этих металлов расширяется при нагревании сильнее, чем другой. Вследствие одностороннего расширения спираль развёртывается, и указатель смещается по шкале вправо. При охлаждении спираль снова скручивается и указатель отходит по шкале влево.
(C) 2012. Савинкова Галина Львовна (г. Самара)
Обычно нагревание заставляет вещества расширяться. Но существуют отдельные кристаллические вещества, которым свойственно сжатие при нагреве или, как принято говорить в научном мире, которые имеют отрицательный коэффициент теплового расширения. Подобные материалы имеют большое практическое значение: их можно сочетать, например, с традиционными на сегодняшний день материалами для производства зубных пломб, зеркал для телескопов и других объектов, которым необходимо иметь фиксированные размеры в широком диапазоне температур. Хорошим примером подобного вещества является вольфрамат циркония (ZrW 2 O 8), демонстрирующий сжатие на 0,001% на градус по шкале Кельвина в диапазоне в тысячи градусов. Согласно геометрической модели вольфрамата циркония, тетраэдры и октаэдры, из которых сформирована кристаллическая структура вещества, остаются жесткими, но могут поворачиваться вокруг своей оси при нагреве, что уменьшает объем материала за счет образования складок внутри его структуры. Эти кристаллические структуры образуют так называемые жесткие моды колебаний.
В одном из представителей класса веществ с отрицательным коэффициентом теплового расширения ученые из California Institute of Technology (США) недавно обнаружили ранее не наблюдаемые колебания кристаллической решетки. Если представлять эти колебания с точки зрения механики, то жесткость «атомной пружины», определяющая параметры колебаний, в данном случае увеличивается при растяжении «пружины», в отличие от классического случая атомных колебаний, где эта «эффективная жесткость» остается постоянной. Подробные результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters .
По мнению ученых, при моделировании жестких мод колебаний, обычно не учитывались силы, контролирующие движения отдельных объектов. Это происходит потому, что в подобных кристаллах крайне сложно рассчитать силы внутри комплекса. В том же вольфрамате циркония элементарная ячейка, периодично повторяющаяся внутри кристалла, включает в себя 44 атома. Но недавно ученые обнаружили, что соединение трифторида скандия (ScF 3) имеет сопоставимые с вольфраматом циркония характеристики в диапазоне температур от 10 до 1100 градусов по шкале Кельвина. В элементарной ячейке кристалла этого вещества всего 4 атома, взаимодействия которых гораздо легче анализировать.
Для оценки сил, действующих внутри элементарной ячейки трифторида скандия, исследователи оценили спектр колебаний кристаллической решетки при помощи рассеяния нейтронов. В особенности их интересовала резонансная частота различных мод колебаний внутри решетки. Измерения проводились в диапазоне от 7 до 750 градусов по шкале Кельвина. Как и ожидалось, большинство мод колебаний практически не изменяли частоту своего резонанса при изменении температуры. Однако одна из мод удивительным образом смещала свою резонансную частоту в область высоких частот, как если бы у нее увеличивалась жесткость при повышении температуры.
Проведя расчет выявленного феномена, ученые обнаружили, что для большинства мод колебаний потенциальная энергия увеличивается пропорционально квадрату расстояния между атомами. Но для отдельных мод действует зависимость от четвертой степени расстояния. Это предположение полностью подтверждалось экспериментальными фактами, выявленными в ходе нейтронного рассеяния.
Обнаруженные колебания четвертой степени представляют собой огромную и не исследованную область физики кристаллов, ведь более высокие моды колебаний могут играть определенную роль и в свойствах других веществ, т.е. потенциально исследования в этой области могли бы привести к разработке материалов с новыми тепловыми свойствами. Более того, ученые считают, что их открытие может повлечь за собой необходимость модификации существующих теорий поведения сжимающихся при нагреве веществ.
