Obično toplina uzrokuje širenje tvari. Ali postoje pojedinačne kristalne supstance koje imaju tendenciju da se skupljaju kada se zagreju, ili, kako kažu u naučni svet, koji imaju negativan koeficijent toplinskog širenja. Takvi materijali su od velike praktične važnosti: mogu se kombinirati, na primjer, sa današnjim tradicionalnim materijalima za izradu zubnih ispuna, ogledala za teleskope i drugih predmeta koji moraju imati fiksne dimenzije u širokom temperaturnom rasponu. Dobar primjer Slična supstanca je cirkonijum volframat (ZrW 2 O 8), koji pokazuje kompresiju od 0,001% po stepenu Kelvinove skale u opsegu hiljada stepeni. Prema geometrijskom modelu cirkonijum volframata, tetraedri i oktaedri od kojih je formirana kristalna struktura supstance ostaju kruti, ali se mogu rotirati oko svoje ose kada se zagreju, što smanjuje zapreminu materijala usled formiranja nabora unutar njegovog struktura. Ove kristalne strukture formiraju takozvane tvrde modove vibracija.
U jednom od predstavnika klase supstanci sa negativan koeficijent termičke ekspanzije, naučnici sa Kalifornijskog instituta za tehnologiju (SAD) nedavno su otkrili dosad nezapažene vibracije kristalne rešetke. Ako zamislimo ove oscilacije sa stanovišta mehanike, onda se krutost “atomske opruge”, koja određuje parametre oscilacija, u ovom slučaju povećava kada se “opruga” rasteže, za razliku od klasičnog slučaja atomske oscilacije, pri čemu ova “efikasna krutost” ostaje konstantna. Detaljni rezultati radova objavljenih u časopisu Physical Review Letters.
Prema naučnicima, prilikom modeliranja krutih modova vibracija, sile koje kontrolišu kretanje pojedinačnih objekata obično se ne uzimaju u obzir. To se događa jer je u takvim kristalima izuzetno teško izračunati sile unutar kompleksa. U istom cirkonijum volframatu, jedinična ćelija, koja se periodično ponavlja unutar kristala, uključuje 44 atoma. Ali nedavno su naučnici otkrili da jedinjenje skandij trifluorid (ScF 3) ima uporedive karakteristike sa cirkonijum volfratomom u temperaturnom opsegu od 10 do 1100 stepeni Kelvina. U jediničnoj ćeliji kristala ove supstance nalaze se samo 4 atoma, čije je interakcije mnogo lakše analizirati.
Da bi procijenili sile koje djeluju unutar jedinične ćelije skandij trifluorida, istraživači su procijenili spektar vibracija kristalne rešetke koristeći neutronsko raspršivanje. Posebno ih je zanimala rezonantna frekvencija različitih oblika vibracija unutar rešetke. Mjerenja su vršena u rasponu od 7 do 750 stepeni Kelvina. Kao što se i očekivalo, većina modova vibracija praktički nije promijenila svoju rezonantnu frekvenciju s promjenama temperature. Međutim, jedan od modova je iznenađujuće pomjerio svoju rezonantnu frekvenciju u područje visokih frekvencija, kao da se njegova krutost povećava s povećanjem temperature.
Nakon izračunavanja identificiranog fenomena, naučnici su otkrili da za većinu modova vibracija potencijalna energija raste proporcionalno kvadratu udaljenosti između atoma. Ali za pojedinačne modove postoji ovisnost o četvrtom stepenu udaljenosti. Ovu pretpostavku u potpunosti su potvrdile eksperimentalne činjenice otkrivene tokom raspršivanja neutrona.
Otkrivene vibracije četvrtog reda predstavljaju ogromno i neistraženo područje kristalne fizike, jer viši modovi vibracija mogu igrati i određenu ulogu u svojstvima drugih supstanci, tj. Potencijalno, istraživanja u ovoj oblasti mogu dovesti do razvoja materijala sa novim termičkim svojstvima. Štaviše, naučnici vjeruju da njihovo otkriće može uključiti potrebu za modifikacijom postojećih teorija ponašanja supstanci koje se skupljaju kada se zagrijavaju.
voditi...
11.11.2011, pet, 15:58 po moskovskom vremenuVećina materijala se širi kada se zagrije, ali postoji nekoliko jedinstvenih tvari koje se ponašaju drugačije. Inženjeri Caltecha su po prvi put otkrili kako se jedan od ovih intrigantnih materijala, skandijev trifluorid (ScF3), skuplja kada se zagrije.
Ovo otkriće će dovesti do dubljeg razumijevanja ponašanja svih vrsta supstanci, a također će omogućiti stvaranje novih materijala s jedinstvenim svojstvima. Materijali koji se ne šire kada se zagrevaju nisu samo naučni kuriozitet. Korisni su u raznim aplikacijama, kao što su mehanizmi visoke preciznosti kao što su satovi, koji moraju ostati vrlo precizni čak i kada temperatura varira.
Kada se čvrsti materijali zagreju, većina toplote se gubi na atomske vibracije. IN običnih materijala ove vibracije "razdvajaju" atome, uzrokujući širenje materijala. Međutim, neke tvari imaju jedinstvenu kristalnu strukturu zbog koje se skupljaju kada se zagrijavaju. Ovo svojstvo se naziva negativno termičko širenje. Nažalost, ove kristalne strukture su veoma složene, a naučnici do sada nisu bili u stanju da vide kako atomske vibracije uzrokuju smanjenje veličine materijala.
Greška 404: Stranica nije pronađena.
Ovo se moglo dogoditi iz jednog od sljedećih razloga:
– greška pri kucanju adrese stranice (URL)
– praćenje “pokvarenog” (neispravnog, neispravnog) linka
– tražena stranica nikada nije bila na stranici ili je obrisana
Možeš:
– vratite se nazad koristeći dugme Nazad u pretraživaču
– provjerite ispravnost pisanja adrese stranice (URL)
– koristite mapu stranice ili idite na glavnu stranicu
To se promijenilo 2010. otkrićem negativnog toplinskog širenja u ScF3, praškastoj tvari s relativno jednostavnom kristalnom strukturom. Da saznate kako njegovi atomi vibriraju kada su izloženi visoke temperature, američki naučnici su koristili kompjuter da simuliraju ponašanje svakog atoma. Svojstva materijala proučavana su i u neutronskoj laboratoriji ORNL kompleksa u Tennesseeju.
Rezultati studije su po prvi put dali jasnu sliku o tome kako se materijal sabija. Da biste razumjeli ovaj proces, morate zamisliti atome skandijuma i fluora kao kuglice koje su međusobno povezane oprugama. Lakši atom fluora vezan je za dva teža atoma skandijuma. Kako temperatura raste, svi atomi počinju da se ljuljaju u nekoliko smjerova, ali zbog linearnog rasporeda atoma fluora i dva atoma skandijuma, prvi vibrira više u smjerovima okomitim na opruge. Sa svakom vibracijom, fluor privlači atome skandijuma jedan prema drugom. Kako se to događa u cijelom materijalu, on se smanjuje u veličini.
Najveće iznenađenje je bila činjenica da je za vrijeme jakih vibracija energija atoma fluora proporcionalna četvrtom stepenu pomaka (četvrta snaga vibracija ili bikvadratna vibracija). Štoviše, većinu materijala karakteriziraju harmonijske (kvadratne) vibracije, kao što je povratno kretanje opruga i klatna.
Prema autorima otkrića, gotovo čisti kvantni oscilator četvrtog stepena nikada prije nije zabilježen u kristalima. To znači da će proučavanje ScF3 u budućnosti omogućiti stvaranje materijala sa jedinstvenim termičkim svojstvima.
Promjena linearnih dimenzija tijela kada se zagrije proporcionalna je promjeni temperature.
Velika većina tvari se širi kada se zagrije. To se lako može objasniti sa stanovišta mehaničke teorije topline, jer kada se zagriju, molekuli ili atomi tvari počinju se kretati brže. U čvrstim tijelima, atomi počinju da vibriraju s većom amplitudom oko svoje prosječne pozicije u kristalnoj rešetki i zahtijevaju više slobodnog prostora. Kao rezultat, tijelo se širi. Isto tako, tekućine i plinovi se uglavnom šire s povećanjem temperature zbog povećanja brzine toplinskog kretanja slobodnih molekula ( cm. Boyle-Marriottov zakon, Charlesov zakon, Jednačina stanja idealnog gasa).
Osnovni zakon toplinskog širenja kaže da je tijelo linearne veličine L u odgovarajućoj dimenziji kada se njena temperatura poveća za Δ Tširi za iznos Δ L, jednak:
Δ L = αLΔ T
Gdje α — takozvani koeficijent linearnog termičkog širenja. Slične formule su dostupne za izračunavanje promjena u površini i volumenu tijela. U najjednostavnijem predstavljenom slučaju, kada koeficijent toplinskog širenja ne ovisi ni o temperaturi ni o smjeru ekspanzije, tvar će se širiti jednoliko u svim smjerovima u strogom skladu s gornjom formulom.
Za inženjere je toplotna ekspanzija vitalna pojava. Prilikom projektovanja čeličnog mosta preko reke u gradu sa kontinentalnom klimom, nemoguće je ne uzeti u obzir moguće promene temperature u rasponu od -40°C do +40°C tokom cele godine. Takve razlike će uzrokovati promjenu ukupne dužine mosta do nekoliko metara, a kako se most ljeti ne bi podigao i zimi ne bi imao moćna vlačna opterećenja, projektanti sastavljaju most iz zasebnih dijelova, povezujući ih. sa posebnim termički pufer spojevi, koji su redovi zuba koji se zahvaćaju, ali nisu čvrsto povezani, koji se čvrsto zatvaraju na vrućini i prilično razilaze na hladnoći. Na dugom mostu može biti dosta ovih tamponova.
Međutim, ne šire se svi materijali, posebno kristalne čvrste tvari, jednoliko u svim smjerovima. I ne šire se svi materijali jednako kada različite temperature. Najupečatljiviji primjer ove druge vrste je voda. Kada se voda ohladi, ona se prvo skuplja, kao i većina supstanci. Međutim, od +4°C do tačke smrzavanja od 0°C, voda počinje da se širi kada se ohladi i skuplja kada se zagreje (sa stanovišta gornje formule, možemo reći da u temperaturnom opsegu od 0°C do +4°C koeficijent termičkog širenja vode α prihvata negativno značenje). Zahvaljujući ovom retkom efektu, zemaljska mora i okeani ne smrzavaju se do dna čak ni u većini veoma hladno: voda hladnija od +4°C postaje manje gusta od toplije vode i isplivava na površinu, istiskujući vodu sa temperaturom iznad +4°C na dno.
Šta ima led specifična gravitacija niži od gustine vode - drugi (iako nije povezan s prethodnim) anomalno svojstvo vodu, kojoj dugujemo postojanje života na našoj planeti. Da nije ovog efekta, led bi potonuo na dno rijeka, jezera i okeana, a oni bi se, opet, smrzli do dna, ubijajući sve živo.
Većina materijala se širi kada se zagrije, ali postoji nekoliko jedinstvenih tvari koje se ponašaju drugačije. Inženjeri Caltecha su po prvi put otkrili kako se jedan od ovih intrigantnih materijala, skandijev trifluorid (ScF3), skuplja kada se zagrije.
Ovo otkriće će dovesti do dubljeg razumijevanja ponašanja svih vrsta supstanci, a također će omogućiti stvaranje novih materijala s jedinstvenim svojstvima. Materijali koji se ne šire kada se zagrevaju nisu samo naučni kuriozitet. Korisni su u raznim aplikacijama, kao što su mehanizmi visoke preciznosti kao što su satovi, koji moraju ostati vrlo precizni čak i kada temperatura varira.
Kada se čvrsti materijali zagreju, većina toplote se gubi na atomske vibracije. U običnim materijalima, ove vibracije tjeraju atome, uzrokujući širenje materijala. Međutim, neke tvari imaju jedinstvenu kristalnu strukturu zbog koje se skupljaju kada se zagrijavaju. Ovo svojstvo se naziva negativno termičko širenje. Nažalost, ove kristalne strukture su veoma složene, a naučnici do sada nisu bili u stanju da vide kako atomske vibracije uzrokuju smanjenje veličine materijala.
To se promijenilo 2010. otkrićem negativnog toplinskog širenja u ScF3, praškastoj tvari s relativno jednostavnom kristalnom strukturom. Da bi otkrili kako njegovi atomi vibriraju kada su izloženi toploti, američki naučnici su koristili kompjuter da simuliraju ponašanje svakog atoma. Svojstva materijala proučavana su i u neutronskoj laboratoriji ORNL kompleksa u Tennesseeju.
Rezultati studije su po prvi put dali jasnu sliku o tome kako se materijal sabija. Da biste razumjeli ovaj proces, morate zamisliti atome skandijuma i fluora kao kuglice koje su međusobno povezane oprugama. Lakši atom fluora vezan je za dva teža atoma skandijuma. Kako temperatura raste, svi atomi počinju da se ljuljaju u nekoliko smjerova, ali zbog linearnog rasporeda atoma fluora i dva atoma skandijuma, prvi vibrira više u smjerovima okomitim na opruge. Sa svakom vibracijom, fluor privlači atome skandijuma jedan prema drugom. Kako se to događa u cijelom materijalu, on se smanjuje u veličini.
Najveće iznenađenje je bila činjenica da je za vrijeme jakih vibracija energija atoma fluora proporcionalna četvrtom stepenu pomaka (četvrta snaga vibracija ili bikvadratna vibracija). Štoviše, većinu materijala karakteriziraju harmonijske (kvadratne) vibracije, kao što je povratno kretanje opruga i klatna.
Prema autorima otkrića, gotovo čisti kvantni oscilator četvrtog stepena nikada prije nije zabilježen u kristalima. To znači da će proučavanje ScF3 u budućnosti omogućiti stvaranje materijala sa jedinstvenim termičkim svojstvima.
- U kontaktu sa 0
- Google+ 0
- uredu 0
- Facebook 0
