Zazwyczaj ciepło powoduje rozszerzanie się substancji. Ale istnieją pojedyncze substancje krystaliczne, które mają tendencję do kurczenia się po podgrzaniu lub, jak mówią świat naukowy, które mają ujemny współczynnik rozszerzalności cieplnej. Materiały takie mają ogromne znaczenie praktyczne: można je łączyć np. z dzisiejszymi, tradycyjnymi materiałami do produkcji wypełnień stomatologicznych, lusterkami do teleskopów i innymi przedmiotami, które muszą mieć stałe wymiary w szerokim zakresie temperatur. Dobry przykład Podobną substancją jest wolframian cyrkonu (ZrW 2 O 8), wykazujący kompresję 0,001% na stopień w skali Kelvina w zakresie tysięcy stopni. Zgodnie z geometrycznym modelem wolframianu cyrkonu, czworościany i oktaedry, z których powstaje krystaliczna struktura substancji, pozostają sztywne, ale po podgrzaniu mogą obracać się wokół własnej osi, co zmniejsza objętość materiału w wyniku tworzenia się fałd w jego obrębie Struktura. Te struktury krystaliczne tworzą tak zwane twarde mody wibracji.
W jednym z przedstawicieli klasy substancji z współczynnik ujemny rozszerzalności cieplnej naukowcy z Kalifornijskiego Instytutu Technologii (USA) odkryli niedawno niezaobserwowane wcześniej drgania sieci krystalicznej. Jeśli wyobrazimy sobie te oscylacje z punktu widzenia mechaniki, to sztywność „sprężyny atomowej”, która określa parametry oscylacji, w tym przypadku wzrasta wraz z rozciąganiem „sprężyny”, w przeciwieństwie do klasycznego przypadku oscylacje atomowe, gdzie ta „efektywna sztywność” pozostaje stała. Szczegółowe wyniki prace publikowane w czasopiśmie Listy z przeglądu fizycznego.
Zdaniem naukowców przy modelowaniu trybów drgań sztywnych zwykle nie bierze się pod uwagę sił kontrolujących ruchy poszczególnych obiektów. Dzieje się tak, ponieważ w takich kryształach niezwykle trudno jest obliczyć siły wewnątrz kompleksu. W tym samym wolframianie cyrkonu komórka elementarna, okresowo powtarzająca się wewnątrz kryształu, zawiera 44 atomy. Jednak niedawno naukowcy odkryli, że związek trifluorek skandu (ScF 3) ma właściwości porównywalne z wolframianem cyrkonu w zakresie temperatur od 10 do 1100 stopni Kelvina. W komórce elementarnej kryształu tej substancji znajdują się tylko 4 atomy, których interakcje są znacznie łatwiejsze do analizy.
Aby ocenić siły działające wewnątrz komórki elementarnej trifluorku skandu, naukowcy ocenili widmo drgań sieci krystalicznej za pomocą rozpraszania neutronów. W szczególności interesowali się częstotliwością rezonansową różnych postaci drgań w sieci. Pomiarów dokonano w zakresie od 7 do 750 stopni Kelvina. Zgodnie z oczekiwaniami większość trybów drgań praktycznie nie zmieniała częstotliwości rezonansowej wraz ze zmianami temperatury. Jednak jeden z modów zaskakująco przesunął swoją częstotliwość rezonansową do obszaru wysokich częstotliwości, tak jakby jego sztywność rosła wraz ze wzrostem temperatury.
Po obliczeniu zidentyfikowanego zjawiska naukowcy odkryli, że w przypadku większości postaci drgań energia potencjalna wzrasta proporcjonalnie do kwadratu odległości między atomami. Ale dla poszczególnych modów istnieje zależność od czwartej potęgi odległości. Założenie to w pełni potwierdziły fakty eksperymentalne ujawnione podczas rozpraszania neutronów.
Odkryte drgania czwartego stopnia stanowią ogromny i niezbadany obszar fizyki kryształów, gdyż wyższe mody drgań mogą też odgrywać pewną rolę we właściwościach innych substancji, tj. Potencjalnie badania w tym obszarze mogłyby doprowadzić do opracowania materiałów o nowych właściwościach termicznych. Co więcej, naukowcy uważają, że ich odkrycie może wiązać się z koniecznością modyfikacji istniejących teorii zachowania substancji kurczących się pod wpływem ciepła.
Ołów...
11.11.2011, piątek, 15:58 czasu moskiewskiegoWiększość materiałów rozszerza się pod wpływem ogrzewania, ale istnieje kilka wyjątkowych substancji, które zachowują się inaczej. Inżynierowie Caltech po raz pierwszy odkryli, jak jeden z tych intrygujących materiałów, trifluorek skandu (ScF3), kurczy się pod wpływem ogrzewania.
Odkrycie to doprowadzi do głębszego zrozumienia zachowania wszystkich rodzajów substancji, a także umożliwi stworzenie nowych materiałów o unikalnych właściwościach. Materiały, które nie rozszerzają się pod wpływem ogrzewania, to nie tylko ciekawostka naukowa. Są przydatne w różnych zastosowaniach, takich jak mechanizmy o wysokiej precyzji, takie jak zegarki, które muszą zachować wysoką dokładność nawet przy wahaniach temperatury.
Podczas ogrzewania materiałów stałych większość ciepła jest tracona w wyniku wibracji atomowych. W zwykłe materiały wibracje te „rozrywają” atomy, powodując rozszerzanie się materiału. Jednakże niektóre substancje mają unikalną strukturę krystaliczną, która powoduje ich kurczenie się po podgrzaniu. Ta właściwość nazywa się ujemną rozszerzalnością cieplną. Niestety te struktury krystaliczne są bardzo złożone i naukowcom do tej pory nie udało się zobaczyć, w jaki sposób wibracje atomowe powodują kurczenie się materiału.
Błąd 404: Nie można znaleźć strony.
Mogło się to zdarzyć z jednego z następujących powodów:
– błąd podczas wpisywania adresu strony (URL)
– podążanie za „zepsutym” (niedziałającym, nieprawidłowym) linkiem
– żądana strona nigdy nie znajdowała się w serwisie lub została usunięta
Możesz:
– wróć za pomocą przycisku Wstecz w przeglądarce
– sprawdź poprawność pisowni adresu strony (URL)
– skorzystaj z mapy serwisu lub przejdź do strony głównej
Zmieniło się to wraz z odkryciem w 2010 roku ujemnej rozszerzalności cieplnej ScF3, substancji proszkowej o stosunkowo prostej strukturze krystalicznej. Aby dowiedzieć się, jak wibrują jego atomy pod wpływem wysoka temperatura amerykańscy naukowcy wykorzystali komputer do symulacji zachowania każdego atomu. Właściwości materiału badano także w laboratorium neutronów kompleksu ORNL w Tennessee.
Wyniki badania po raz pierwszy dały jasny obraz kompresji materiału. Aby zrozumieć ten proces, należy wyobrazić sobie atomy skandu i fluoru jako kulki połączone ze sobą sprężynami. Lżejszy atom fluoru jest związany z dwoma cięższymi atomami skandu. Wraz ze wzrostem temperatury wszystkie atomy zaczynają się wahać w kilku kierunkach, ale ze względu na liniowe ułożenie atomu fluoru i dwóch atomów skandu, pierwszy wibruje bardziej w kierunkach prostopadłych do sprężyn. Z każdą wibracją fluor przyciąga do siebie atomy skandu. Ponieważ dzieje się to w całym materiale, zmniejsza się on.
Największym zaskoczeniem był fakt, że podczas silnych drgań energia atomu fluoru jest proporcjonalna do czwartej potęgi przemieszczenia (drgania czwartej potęgi lub drgania dwukwadratowe). Ponadto większość materiałów charakteryzuje się drganiami harmonicznymi (kwadratowymi), takimi jak ruch posuwisto-zwrotny sprężyn i wahadeł.
Zdaniem autorów odkrycia, w kryształach nigdy wcześniej nie zarejestrowano niemal czystego oscylatora kwantowego czwartego stopnia. Oznacza to, że badanie ScF3 w przyszłości umożliwi stworzenie materiałów o unikalnych właściwościach termicznych.
Zmiana wymiarów liniowych ciała po ogrzaniu jest proporcjonalna do zmiany temperatury.
Zdecydowana większość substancji rozszerza się pod wpływem ogrzewania. Można to łatwo wyjaśnić z punktu widzenia mechanicznej teorii ciepła, ponieważ po podgrzaniu cząsteczki lub atomy substancji zaczynają poruszać się szybciej. W ciałach stałych atomy zaczynają wibrować z większą amplitudą wokół swojego średniego położenia w sieci krystalicznej i wymagają więcej wolnej przestrzeni. W rezultacie ciało się rozszerza. Podobnie ciecze i gazy w większości rozszerzają się wraz ze wzrostem temperatury w wyniku wzrostu prędkości ruchu termicznego wolnych cząsteczek ( cm. Prawo Boyle'a-Marriotta, prawo Charlesa, równanie stanu gazu doskonałego).
Podstawowe prawo rozszerzalności cieplnej stwierdza, że ciało ma wymiary liniowe L w odpowiednim wymiarze, gdy jego temperatura wzrasta o Δ T rozszerza się o wielkość Δ L, równy:
Δ L = αLΔ T
Gdzie α — tak zwana współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej. Podobne wzory są dostępne do obliczania zmian pola i objętości ciała. W najprostszym przedstawionym przypadku, gdy współczynnik rozszerzalności cieplnej nie zależy ani od temperatury, ani od kierunku rozszerzania, substancja będzie rozszerzać się równomiernie we wszystkich kierunkach, ściśle według powyższego wzoru.
Dla inżynierów rozszerzalność cieplna jest zjawiskiem istotnym. Projektując stalowy most przez rzekę w mieście o klimacie kontynentalnym nie sposób nie uwzględnić ewentualnych zmian temperatury w ciągu roku od -40°C do +40°C. Takie różnice spowodują zmianę całkowitej długości mostu nawet do kilku metrów, dlatego aby most nie kołysał się latem, a zimą nie poddawał się silnym obciążeniom rozciągającym, projektanci komponują most z oddzielnych odcinków, łącząc je ze specjalnym złącza buforowe termiczne, które są rzędami zębów, które zazębiają się, ale nie są sztywno połączone, które zamykają się szczelnie w upale i rozchodzą się dość szeroko na zimnie. Na długim moście takich buforów może być sporo.
Jednak nie wszystkie materiały, zwłaszcza krystaliczne ciała stałe, rozszerzają się równomiernie we wszystkich kierunkach. I nie wszystkie materiały rozszerzają się równomiernie, gdy różne temperatury. Najbardziej uderzającym przykładem tego ostatniego rodzaju jest woda. Kiedy woda się ochładza, najpierw się kurczy, jak większość substancji. Natomiast od +4°C do temperatury zamarzania 0°C woda zaczyna się rozszerzać po ochłodzeniu i kurczyć po podgrzaniu (z punktu widzenia powyższego wzoru można powiedzieć, że w zakresie temperatur od 0°C do +4°C współczynnik rozszerzalności cieplnej wody α akceptuje negatywne znaczenie). To dzięki temu rzadkiemu efektowi ziemskie morza i oceany nie zamarzają do dna nawet w najbardziej bardzo zimno: woda zimniejsza niż +4°C staje się mniej gęsta niż woda cieplejsza i wypływa na powierzchnię, wypierając na dno wodę o temperaturze powyżej +4°C.
Co ma lód środek ciężkości mniejsza niż gęstość wody - inna (choć niezwiązana z poprzednią) anomalna właściwość woda, której zawdzięczamy istnienie życia na naszej planecie. Gdyby nie ten efekt, lód opadałby na dno rzek, jezior i oceanów, a one ponownie zamarzałyby na dnie, zabijając wszystkie żyjące istoty.
Większość materiałów rozszerza się pod wpływem ogrzewania, ale istnieje kilka wyjątkowych substancji, które zachowują się inaczej. Inżynierowie Caltech po raz pierwszy odkryli, jak jeden z tych intrygujących materiałów, trifluorek skandu (ScF3), kurczy się pod wpływem ogrzewania.
Odkrycie to doprowadzi do głębszego zrozumienia zachowania wszystkich rodzajów substancji, a także umożliwi stworzenie nowych materiałów o unikalnych właściwościach. Materiały, które nie rozszerzają się pod wpływem ogrzewania, to nie tylko ciekawostka naukowa. Są przydatne w różnych zastosowaniach, takich jak mechanizmy o wysokiej precyzji, takie jak zegarki, które muszą zachować wysoką dokładność nawet przy wahaniach temperatury.
Podczas ogrzewania materiałów stałych większość ciepła jest tracona w wyniku wibracji atomowych. W zwykłych materiałach wibracje te rozpychają atomy, powodując rozszerzanie się materiału. Jednakże niektóre substancje mają unikalną strukturę krystaliczną, która powoduje ich kurczenie się po podgrzaniu. Ta właściwość nazywa się ujemną rozszerzalnością cieplną. Niestety te struktury krystaliczne są bardzo złożone i naukowcom do tej pory nie udało się zobaczyć, w jaki sposób wibracje atomowe powodują kurczenie się materiału.
Zmieniło się to wraz z odkryciem w 2010 roku ujemnej rozszerzalności cieplnej ScF3, substancji proszkowej o stosunkowo prostej strukturze krystalicznej. Aby dowiedzieć się, jak wibrują jego atomy pod wpływem ciepła, amerykańscy naukowcy wykorzystali komputer do symulacji zachowania każdego atomu. Właściwości materiału badano także w laboratorium neutronów kompleksu ORNL w Tennessee.
Wyniki badania po raz pierwszy dały jasny obraz kompresji materiału. Aby zrozumieć ten proces, należy wyobrazić sobie atomy skandu i fluoru jako kulki połączone ze sobą sprężynami. Lżejszy atom fluoru jest związany z dwoma cięższymi atomami skandu. Wraz ze wzrostem temperatury wszystkie atomy zaczynają się wahać w kilku kierunkach, ale ze względu na liniowe ułożenie atomu fluoru i dwóch atomów skandu, pierwszy wibruje bardziej w kierunkach prostopadłych do sprężyn. Z każdą wibracją fluor przyciąga do siebie atomy skandu. Ponieważ dzieje się to w całym materiale, zmniejsza się on.
Największym zaskoczeniem był fakt, że podczas silnych drgań energia atomu fluoru jest proporcjonalna do czwartej potęgi przemieszczenia (drgania czwartej potęgi lub drgania dwukwadratowe). Ponadto większość materiałów charakteryzuje się drganiami harmonicznymi (kwadratowymi), takimi jak ruch posuwisto-zwrotny sprężyn i wahadeł.
Zdaniem autorów odkrycia, w kryształach nigdy wcześniej nie zarejestrowano niemal czystego oscylatora kwantowego czwartego stopnia. Oznacza to, że badanie ScF3 w przyszłości umożliwi stworzenie materiałów o unikalnych właściwościach termicznych.
- W kontakcie z 0
- Google+ 0
- OK 0
- Facebook 0
