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 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.
Комментарии (59)
materiatura
01.11.2023 17:38+14Про воду сумбурно как-то написано. Вода имеет положительный коэффициент объемного расширения в диапазоне от 4С и выше. В диапазоне от 0С до 4С (примерно, там какое-то дробное значение) - отрицательный коэффициент объемного расширения. Во время фазового перехода из воды в лед, объем увеличивается в связи со строением кристаллической решетки льда. Лед имеет положительный коэффициент объемного расширения.
PuerteMuerte
01.11.2023 17:38+14Про воду сумбурно как-то написано. Вода имеет положительный коэффициент объемного расширения в диапазоне от 4С и выше
Вода, как по мне, вообще не считается. У неё отрицательный коэффициент расширения связан с переходом в другое агрегатное состояние, это не аномально. Аномально, это когда вещество имеет отрицательный коэффициент расширения, находясь в одном и том же агрегатном состоянии.
alextrof94
01.11.2023 17:38+1Я слышал про переохлаждение жидкости, когда температура ниже нуля, но вода всё ещё жидкая из-за отсутствия центров кристализации, и вот почему-то на графике этот вариант не отражён. Что там будет до нуля по плотности?..
forever_live
01.11.2023 17:38+3Вообще там на графике - до -10. А фазовый переход там как раз и не показан.
karavan_750
01.11.2023 17:38Занимателен процесс кристаллизации переохлажденной воды.
Если у переохлажденной воды температура -10°, то в процессе кристаллизации участвуют не все молекулы, часть остаются жидкими. Причина в выделении тепла молекулами участвующими в выстраивании кристалла.
ru1z
01.11.2023 17:38+1Хм, а почему бы не сравнивать простые вещества с простыми веществами, металлы с металлами, а сложные соединения с соединениями аналогичного состава? Странным кажется сравнение воды с какими-то амфотерными элементами и сплавами. Аномалия ведь не магия, а образование какой-то структуры.
Со сплавом Вуда упоминанием имхо тоже лишнее, в составе тот же самый висмут с "аномалией" его там — аж 50 %. Вот если бы висмут был, а "аномалии" не было - то другое дело. Либо дело в величине "аномалии", непонятно, в общем.
Segmentq
01.11.2023 17:38+21Шок-контент прям. Кто-то наткнулся на учебник физики или счетчик публикаций надо накрутить?
NickDoom
01.11.2023 17:38+15Вода — она да, коварная порой бывает… Я тут поэкспериментировал один раз в приступе рецидива детского любопытства в преддверии окончательной старости, на мороз выставил банку с водой, а сверху резистор сунул. Он не давал поднимающемуся льду схватиться и образовать ледяную пробку, под которой потом давление будет расти.
В результате получил целёхонькую банку, полную льда — он намерзал в единственном дозволенном ему направлении, то есть снизу вверх, вытесняя лишнюю воду вверх.
Надо будет поиграться со всякими там кусками надутых автомобильных камер, утопленных на дне бака с водой без возможности всплыть. Пусть лёд, вместо того, чтобы дно у бака выбивать, сжимает в них воздух сколько душе угодно.
begin_end
01.11.2023 17:38+4Есть такая защита, я в открытые выводы водопроводных труб, которые торчат вертикально (и соответственно имеют остаточную воду) вставляю и фиксирую мягкую закупоренную пластиковую трубку на время зимнего дачного сезона (если нет возможности слить).
IvanPetrof
01.11.2023 17:38+5Есть такой народный способ - чтоб бочку с водой не порвало, нужно в неё сунуть деревянное бревно (ну не прям бревно-бревно, но толстую палку). Чтоб оно торчало из воды и своим весом держало другой конец бревна у дна.
zatim
01.11.2023 17:38Способ этот не работает. Ну или нужно специально подбирать состав бревна/погодные условия. В начале нулевых родителям кто-то нашептал про этот способ, результат - минус нескольколько бочек на огороде. Дерево хоть и мягкое, но не настолько сжимается.
SpiderEkb
01.11.2023 17:38+5Работают 5-литровые пластиковые бутылки (в которых питьевую воду продают).
Чтобы не всплывала заполняют песком на треть (примерно) объема.
zatim
01.11.2023 17:38+3А не проще тогда уж по старинке - слить воду, перевернуть бочку вверх дном? Чем с бутылками заморачиваться, песок искать, отмерять его.
IvanPetrof
01.11.2023 17:38+3Бывает не всегда возможно всю воду слить (и перевернуть). Плюс, иногда по весне в бочку накидывают снег, чтоб с теплом вода получилась, но в затяжную весну снег может растаять, а потом замёрзнуть (актуально для приусадебных участков без колодца). Совет с бревном в бочке я в основном для этого случая слышал.
Shpakov
01.11.2023 17:38+2У родственника участок в садовом товариществе, по зиме по участкам прошли воры - тащили все металлическое, в т.ч. и бочки. Остались только у тех, кто не стал воду сливать.
zatim
01.11.2023 17:38Повезло ему, у нас все металлическое унесли еще в конце нулевых. Буржуйку, кровати, трубы. Но вот бочки до последнего не трогали, может потому что я их хорошенько просмолил гудроном, а с гудроном металл не берут.
andyudol
01.11.2023 17:38+1Часто замораживаю в пластмассовых бутылках бульон, компот, когда-то давно замораживал молоко. Всё это расширяется при замерзании. На даче почти всегда на зиму остаётся (забывается) хотя бы одна бутылка с водой. Ни одна бутылка не лопнула. Секрет прост: бутылка заполняется не полностью, перед завинчиванием крышки воздух выжимается.
IvanPetrof
01.11.2023 17:38Пластик обычно не рвёт (если не под горлышко залит). Неоднократно замерзали пластиковые не вскрытые бутылки с минералкой. После оттаивания минералка была без газа.
konst90
01.11.2023 17:38+1Не рвет, но выпучивает. У меня в багажнике всю зиму пролежала 5-литровая бутылка воды - к весне она обрела полусферическое дно вместо плоского.
arheops
01.11.2023 17:38Оно не так работает. Бревно колышется(оно ж плавает) и ломает в этом месте наледь. В результате у бревна остается вода и в последнюю очередь замерзает
У вас недостаточно большое для бочки бревно было. Ну или слишком большой мороз сразу.
IvanPetrof
01.11.2023 17:38+1автомобильных камер, утопленных на дне
Вместо камер можно использовать пустые пластиковые бутылки.
ZekaVasch
01.11.2023 17:38+13Реклама канала и пара строк из википедии.
TheHangedKing
01.11.2023 17:38Говорили старики, не пускайте школьников в интернет, интернет от них глупеет. Но вот школьников пустили на Хабр и мы читаем теперь статьи вроде этой, а они обвиняют нас в токсичности в ответ на обоснованную критику.
Berks
01.11.2023 17:38+2График интересный. Означает ли это, что если налить в герметичную емкость "до горлышка" воду температурой +25гр (с запасом) и охладить потом до -10гр, емкость не разорвет, ибо конечная плотность будет выше начальной?
slbeat
01.11.2023 17:38Можно ли использовать энергию расширения воды в механических целях для получения какой либо другой энергии?
Tiriet
01.11.2023 17:38+1можно. но это в любом случае будет тепловая машина, а КПД тепловой машины определяется отношением разности температур рабочего тела в цикле к температуре охладителя, для ледяной машины это будет что-то порядка 4С/273С ~1.5%. оно того не стоит.
saege5b
01.11.2023 17:38+4Энергию особо не получить, но вот высокое давление - запросто.
Tiriet
01.11.2023 17:38+1Большое с бытово точки зрения. Модуль объемного сжатия льда- порядка 7ГПа. плотность- 0,92. то есть, в замкнутом объеме его сжатие (1,0-0,92)/0,92= 0,087. при такой степени сжатия лед развивает давление всего-то в 7000*0,087= 600МПа, это 6000 атмосфер. для сравнения- давление в баллоне пневматической PCP-винтовки- 200-300МПа, это 2-3 тысячи атмосфер. давление в рукавах высокого давления в экскаваторах- 1000 атмосфер. эти давления создаются обычными насосами. На кончике жала пчелы в момент укуса давление- 3 ГПа. Предел текучести стали 30 составляет 300-400 МПа. Предел текучести отожженной стали 95х18- 700-800 МПа, каленой- 2,0-2,3ГПа. На вершине алмазной наковаленки давления легко превышают два-три миллиона атмосфер, то есть, в 500 раз выше предельного давления, которое может создать лед. То есть, с технической точки зрения максимальное давление, которое может создать лед- не такое уж и большое давление.
druidus
01.11.2023 17:38+3Ожидал увидеть список материалов у которых отрицательный коэффициент расширения при нагревании и положительный при охлаждении. Для общего развития.
ciuafm
01.11.2023 17:38+2Можно было написать что материал с нулевым расширением используется в ДВС, а расширение льда при замерзании использовалось для горных работ, когда не было динамита.
fio
01.11.2023 17:38+1Сплав Инвар (имеет уникально низкий коэффициент температурного расширения) используется при изготовлении мерных проволок в геодезии, эталонных элементов длины, компонентов часовых механизмов, составляющих измерителей давления и высоты, опорных конструкций лазерных установок, а также других деталей для точного приборостроения.
LF69ssop
01.11.2023 17:38А мне припоминаются истории с деревянными клиньями и водой, безо всяких морозов.
Bedal
01.11.2023 17:38+1Написано якобы обобщённо, хотя на самом деле затронут только один эффект - изменение плотности при перестройке кристаллической решётки. В то время, как та же вода, оставаясь жидкостью, при охлаждении ниже +4° начинает увеличивать объём, не превращаясь ещё в кристалл.
В итоге информация на уровне очень средней школы.
arheops
01.11.2023 17:38Но обьяснение то же, она типа частично превращается в кристалл.
Bedal
01.11.2023 17:38нет, конечно. Что такое "частично превращается"? Шуга, что ли? Нет там шуги при +3°.
Молекулы воды имеют две пары неподелённых электронов, что приводит к возможности образования кластеров молекул. Другими словами, жидкая вода состоит из нестабильных групп молекул. Группы меняют форму, размер, сливаются, распадаются и т.п. при минимальных неоднородностях или возмущениях.
Размер, динамика кластеров и их влияние на плотность (а также растворяющую способность и т.п.) зависят от температуры (от нуля до кипения размер кластеров, к примеру, меняется более, чем вдвое). Это и даёт эффект (а заодно и "чудесные" эффекты талой и свежекипячённой воды).
LF69ssop
01.11.2023 17:38Почему вода разрывает емкость при замерзании
Объяснение тут простое - лёд имеет больший объем, чем исходная вода.
Плотность имеет меньшую. А уж следствием больший объем.
Собственно дальше и повествуется уже именно в этом ключе.
gres_84
01.11.2023 17:38+2При объяснении аномалии перескочили с жидкой воды на кристаллический лед притом, что аномалия начинается при 4 градусов, когда льда еще и в помине нет.
Vilos
Как-то очень уж кратенько...только начал читать и вот-те раз уже закончилось повествование...
Как раз про воду я в курсе, а вот про стеклокерамику и высокоточные свёрла не слыхал....спасибо.
azTotMD
у кварца температурный коэффициент расширения около нуля, поэтому кварцевая посуда - термостойкая.
А у фторида скандия, например, если верить вики, отрицательный КТР в диапазоне от 10 до 1100 К
xSVPx
Со сверлами совершенно непонятно, что собираются сверлить и как. Можно каких-то пруфов на них ?
Если у вас точное производство - цех термостабилизирован, рассказывали что в СССР строили бассейны на крыше. В любом случае вам надо чтобы станок весь имел верную температуру.
Но при сверлении образуется тепло и сверло нагревается. Но ведь нагревается и деталь. Т.е. вы либо учитываете это и не перегреваете и то и другое, либо толку только от специального сверла не будет, деталь остынет и отверстие уменьшится....
zatim
Обычно при резании деталь нагревается намного меньше, потому как основное тепло, образующееся при деформации уносится вместе со стружкой. И потом, деталь обычно на порядки массивнее чем сверло.
shkal
Для этого СОЖ и используют, чтобы сверло, фрезу не перегреть
Serge78rus
Пример со сверлом кажется надуманным - операция сверления сама по себе не обеспечивает очень высокую точность диаметра полученного отверстия. Там, где требуется высокая точность, после сверла используют развертки.
DungeonLords
Разве развертки не вышли из употребления лет 30 уж как?
lorc
Может где-то на крутых производствах и не используют, но в мелких мастерских ими пользуются вовсю.
xSVPx
Ну всякие Сандвики Искары и Митсубиси итп делают ведь развертки в том числе твердосплавные....
Как ещё вы точное небольшое отверстие исполните ? Можно, конечно растачивать, но это, подозреваю, дольше....
Dolios
Точность современных сверел выше точности советских разверток, была статья тут про это. Не используют развертки давно, вроде как.
V_Scalar
Глупость, сверление как было черновой операцией так и осталось. Ну да, бывает там всякие свёрла за один поход и просверлят и резьбу нарежут но это к делу не относится
Moog_Prodigy
Где то бассейны строили, где то использовали централизацию, снаружи градирня, затем холодильная установка и нагревательная параллельно. Автоматика следила за выходной температурой постоянно, вода прокачивалась непосредственно через станины станков как в двигателях. Ну правда такие станки редкость. Они и без термостабилизации то высокоточные были, с нею так и вообще. Подпятники гироскопов обрабатывались с отклонением от сферичности в 0.5 микрона, и это верхний допуск. Нижний 0.2. В среднее попадешь - уже молодец.
Wan-Derer
Много зависит от материала. Например, титан очень"неудобен" для обработки. У него низкая теплопроводность, поэтому просверлить в нём глухое отверстие гораздо сложнее чем в "обычной железке".