Как материалы расширяются при охлаждении и почему это очень странно?

Никого не удивить тем, что при нагревании размеры физических тел увеличиваются, а при охлаждении - уменьшаются. Это прописная истина, которая откладывается в сознании, начиная с первых уроков физики.

Но не нужно стараться искать универсальные решения. Так происходит далеко не всегда. Есть материалы, которые обладают весьма странной особенностью. При охлаждении они увеличиваются в объеме и ломают тем самым уставившиеся стереотипы о свойствах всех материалов.

Самое интересное, что мы регулярно сталкиваемся с такой аномалией на практике. Только вот значения этим наблюдениям не придаем.

Вспомним про... самую обычную воду. Замерзая в трубе или любой посудине, она вполне может разорвать эту емкость в клочья. Наверняка каждый из вас хотя бы раз оставлял воду в банке в морозилке или какие-то продукты в банке с жидкостью на даче в мороз. Скорее всего вы наблюдали когда-нибудь разрыв трубы из-за её промерзания и прочие шутки от природы

Почему вода разрывает емкость при замерзании

Объяснение тут 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 сама "исходная" вода. Это называется температурная аномалия плотности.

Температурная аномалия плотности

Если сильно упростить логику процесса - специфическая конструкция кристаллической решетки ^[1] материала этой группы (подверженной аномалии) такова, что при затвердевании расстояния между атомами оказываются большим, чем это обычно бывает в стандартных случаях. В итоге объем при кристаллизации 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 размер коробка. Мы всего лишь выстроили конструкцию из спичек и упорядочили её. Аналогичным образом это происходит и здесь. Пока атомы находятся в общей каше, объем каши 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, которая формируется в результате.

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 позволяет 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 поверхности 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. 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.

Ну и традиционно, если вам хочется больше узнать про физику, материалы и вы интересуетесь техническими науками, то приглашаю вас к себе на канал за эксклюзивами ^[2].