Никого не удивить тем, что при нагревании линейные размеры тела увеличиваются, а при охлаждении они уменьшаются.
Но так происходит не всегда. Есть материалы, которые обладают весьма странной особенностью. При охлаждении они увеличиваются в объеме, чем ломают уставившиеся стереотипы о свойствах всех материалов. Ведь физика в школе, вроде как, учила именно прямой зависимости уменьшения объема при уменьшении температуры.
Мы регулярно сталкиваемся с такой аномалией на практике. Только вот значения наблюдениям не придаем.
Вспомним про самую обычную воду. Замерзая в трубе или любой посудине, она вполне может разорвать эту емкость в клочья!
Почему вода разрывает емкость при замерзании
Объяснение простое - лёд имеет больший объем, чем исходная вода. При остывании воды всё идёт по стандартной схеме до некоторой критической точки.
В этой точке плотность, которая сначала равномерно увеличивалась вдруг начинает уменьшаться. В итоге лёд занимает больше места, чем занимала вода. Но мы просто сливаем воду из всех емкостей перед морозами и физику процесса не вникаем. Между тем, это очень интересное явление!
Это называется температурная аномалия плотности. Подробно про то, как работает этот механизм, мы рассказывали тут.
Температурная аномалия плотности
Если сильно упростить логику процесса - специфическая конструкция кристаллической решетки материала этой группы такова, что при затвердевании расстояния между атомами оказываются большим, чем это обычно бывает в стандартных случаях. В итоге размер их увеличивается.
Можно тут провести занятную аналогию с коробом спичек. Пока спички в коробке, они занимают совсем немного места. Как только мы выкладываем из спичек фигуру, её площадь оказывается большей, чем плотность коробка. Мы всего лишь выстроили конструкцию из спичек. Также происходит и здесь. Пока атомы находятся в общей каше, объем её меньше, чем когда нужно выстраивать слаженную конструкцию.
У каких веществ ещё встречается такая аномалия?
Оказывается, таких веществ существует целая группа!
Низкотемпературная аномалия плотности встречается у сурьмы, висмута, галлия, германия, лития, плутония, кремния, теллура, а также в некоторых сплавах. Наиболее известен из сплавов с аномалией - сплав Вуда.
Существование таких веществ - целый плацдарм при конструировании множества изделий. Мы везде использовали формулировку "низкотемпературная аномалия плотности". Но есть ещё и "высокотемпературная аномалия плотности". Это противоположное явление. Материал уменьшается в объеме при нагревании. Причина такая же и заключается она в специфической конструкции кристаллической решетки.
Как можно использовать температурную аномалию плотности?
Инженеры активно используют аномалии плотности и объединяют "классические вещества" с веществами, которые увеличиваются в объеме при охлаждении. Объединять такие вещества не обязательно механически. Часто материаловеды делают композитные материалы или многофазные материалы другого типа, где наличие одной только фазы с аномалией в структуре позволяют нивелировать отрицательное воздействие теплового расширения.
Самый интересный пример - варочная панель из стеклокерамики. Сделайте панель с такими же размерами из материала, состоящего только из стеклофазы или из самого обычного стекла. Температурный градиент будет значителен и термические трещины из-за неравномерного расширения гарантированы. Но варочная панель работает и не ломается!
В структуре стеклокерамики у варочной панели имеется фаза, которая нивелирует общие расширения благодаря своей температурной аномалии. В итоге внутри материала не возникают механические напряжения. Ведь вместе с общим расширением одной части, происходит и сужение другой части.
Помимо варочной панели, нулевое температурное расширение имеют и материалы, используемые для изготовления многих инструментов. Очень удобно, чтобы диаметр сверла в высокоточных производствах всегда был одинаковым. Конечно же, можно учитывать и линейное расширение или сужение и закладывать это в технологический процесс. Но гораздо правильнее, чтобы размер самого инструмента оставался всегда одинаковым, а этого можно достичь при использовании материала с нулевым температурным коэффициентом.
------------
Обязательно оцените статью лайком, напишите комментарий и подпишитесь на проект! Это очень важно для развития канала.
-------------
Советую также прочитать на нашем канале:
-----