Тема2.6 Линейное и объемное расширение твердых тел при нагревании. §9.1
При равномерном нагревании однородного тела оно не разрушается, но неравномерный нагрев может вызвать значительные механические напряжения (внутренние нагрузки). Например, стеклянная бутылка или стакан из толстого стекла могут лопнуть, если налить в них горячей воды. Почему? В первую очередь происходит нагрев внутренних частей сосуда, соприкасающихся с горячей водой. Они расширяются и оказывают сильное давление на внешние холодные части этого же сосуда. Тонкий же стакан не лопается при наливании в него горячей воды, так как его внутренняя и внешняя части быстро и почти одномоментно прогреваются.
Разнородные материалы, подвергающиеся периодическому нагреванию и охлаждению, следует соединять вместе только тогда, когда их размеры при изменении температуры меняются одинаково (вещества имеют аналогичные коэффициенты). Это особенно важно при больших размерах изделий. Так, например, железо и бетон при нагревании расширяются одинаково. Именно поэтому широкое распространение получил железобетон – затвердевший бетонный раствор, залитый в стальную решётку. Если бы железо и бетон расширялись по-разному, то в результате суточных и годовых колебаний температуры железобетонное сооружение вскоре бы разрушилось.
Ещё несколько примеров. Металлические проводники, впаянные в стеклянные баллоны электроламп и радиоламп, делают из сплава железа и никеля, имеющего такой же коэффициент расширения, как и стекло, иначе при нагревании металла стекло треснуло бы. Эмаль, которой покрывают посуду, и металл, из которого эта посуда изготовляется, должны иметь одинаковые коэффициенты линейного расширения. В противном случае эмаль будет лопаться при нагревании и охлаждении покрытой ею посуды.
Тепловое расширение тел находит широкое применение в технике. Приведем лишь несколько примеров. Две разнородные пластины (например, железная и медная), сваренные или «склёпанные» вместе, образуют так называемую биметаллическую пластину. При нагревании такие пластины изгибаются вследствие того, что одна расширяется сильнее другой. Та из полосок (медная), которая расширяется больше, оказывается всегда с выпуклой стороны.
Это свойство биметаллических пластин широко используется для измерения температуры и её регулирования. Металлический термометр имеет спираль, сделанную из двух полос различных металлов, сваренных (или склёпанных) друг с другом. Один из этих металлов расширяется при нагревании сильнее, чем другой. Вследствие одностороннего расширения спираль развёртывается, и указатель смещается по шкале вправо. При охлаждении спираль снова скручивается и указатель отходит по шкале влево.
(C) 2012. Савинкова Галина Львовна (г. Самара)
ПРИТЕРТЫЕ ПРОБКИ
Всем хорошо известно, что при нагревании тела расширяются.
Иногда в стеклянном флаконе притертая пробка так туго сидит, что ее не вытащишь. Очень большое усилие применить опасно — можно отломить горлышко и порезать руки. Поэтому прибегают к испытанному способу: к горлышку подносят горящую спичку, а флакон поворачивают, чтобы горлышко равномерно прогрелось.
Пламени одной спички достаточно, чтобы стекло горлышка от нагревания расширилось, а пробка, не успевшая нагреться, легко вынулась.
УДЛИНЕНИЕ ИГОЛКИ
Вырежь из пробки, из дощечки или выпили из фанеры такую дужку, как у нас на рисунке. Иглу воткни острием в целый конец дужки (на рисунке — левый), а ушком свободно положи на правый, срезанный. Подбери другую иголку, потоньше. Ее острие должно пройти сквозь ушко первой, горизонтальной иглы да еще войти в дерево на 2— 3 мм.
Эта вертикальная игла будет стрелкой нашего приборчика. Чтобы ее движение было заметнее, рядом воткни вторую, контрольную.
Контрольная иголка должна быть параллельна иголке-стрелке.
Нагрей теперь горизонтальную иглу на свече или спичке.
Она удлинится, ушко поползет вправо и отклонит вертикальную стрелку!
ТЕПЛОВЫЕ ВЕСЫ
Опыт 1
Для этого возьмите прямой кусок медной проволоки толщиной 1—2 миллиметра, длиной около 40 сантиметров. Воткните конец этой проволоки в отверстие, просверленное в деревянной палке примерно такой же длины, и подвесьте получившееся коромысло тепловых весов за середину на нитке. Уравновесьте его.
Может быть, для этого нужно будет подрезать деревянную палочку или, наоборот, подвесить к ней небольшой груз, например кусочки бумаги. Можно добиться равновесия и передвигая точку подвеса коромысла. Осветите коромысло настольной лампой, чтобы на стене один его конец, например медный, давал тень. На этом месте укрепите на стене белую бумагу и отметьте карандашом положение тени, когда коромысло висит строго горизонтально. Затем возьмите две зажженные свечи и подставьте их под медную проволоку. Когда она хорошо нагреется, она удлинится, и равновесие нарушится. Потому что нарушилось соотношение плеч. Конец проволоки опустится на несколько миллиметров. Это будет хорошо видно по тени на стене.
Если свечи убрать, медная проволока остынет, станет короче, то есть такой, какой была до нагревания, и коромысло наших тепловых весов, вернее, его тень встанет на свою метку.
Опыт 2
Красивый опыт можно сделать со стальной вязальной спицей.
Пропусти ее сквозь пробку (или обрезок моркови). По обе стороны спицы воткни в эту пробку две булавки, как показано на рисунке. Они должны стоять острыми концами на донышке стакана.
На концы спицы насади по морковке. Лучше не серединкой, а так, чтобы основная часть каждой морковки была внизу. Это сделает равновесие спицы более устойчивым: ведь центр тяжести опустился ниже! Получилось что-то вроде весов, Передвигая морковки, добейся, чтобы спица стояла совершенно горизонтально.
Получилось?
Ну, а теперь поставь под одно плечо этих весов зажженную свечу.
Внимание… Смотри-ка: нагретое плечо опустилось! Убери свечу — и через некоторое время равновесие восстановится.
В чем здесь дело?
Неужели одна сторона спицы от нагревания стала тяжелее? Нет, конечно. Просто она стала длиннее, и морковка «отъехала» дальше от точки опоры. Поэтому она и перетянула, как птичка перетягивала бегемота! А когда спица остыла, она снова укоротилась, и все стало по-прежнему.
РАЗЪЕДИНЕНИЕ СТАКАНОВ
Все тела при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются - закон!
Дома мы то и дело сталкиваемся с проявлениями коварного закона: то треснет стакан, в который налили кипяток, то сожмет давлением завинчивающуюся крышку на банке так, что и не открыть, то лопнут от сильного мороза водопроводные трубы (в последнем примере речь идет о «неправильном» поведении воды, ведь она расширяется и при замерзании).
Но лучше с этим законом дружить!
Опыт
Как разъединить два стакана, вставленные один в другой?
Вчера их вымыли горячей водой да так и оставили. И они «схватились» так, что скорее разобьются, чем разделятся. Налейте в верхний стакан холодной воды, а второй опустите в миску с горячей водой. Несколько мгновений — и жестом фокусника вы их разделите.
РЖАВЫЙ ВИНТ
Шляпку заржавевшего винта, который никак не поддается отвертке, нагрейте паяльником. Дайте винту остыть и повторите попытку.
От резкого расширения, а затем сжатия частицы ржавчины и других посторонних веществ на поверхности резьбы должны отделиться. Если это не поможет сразу, повторите нагрев.
ДОСКА ВДРЕБЕЗГИ
Если вы хотели бы продемонстрировать свою силу, то есть показать, как под ребром вашей ладони разлетается в щепки толстая доска, выдаем тайну одного циркового артиста: перед выступлением он вымачивал подготовленную доску в воде и выставлял ее на мороз. Потом давал оттаять, снова мочил и опять замораживал. И так несколько раз.
Как вы догадываетесь, замерзающая вода рвала древесные клетки, и доска становилась рыхлой, некрепкой. Разломать ее резким ударом ладони нетрудно. Впрочем, обманывать нехорошо…
Кстати, что надо сделать с бубликом, чтобы увеличить его дырку?
РАСШИРЕНИЕ ШАРИКА
Проделаем опыт с расширением от нагревания твердого предмета. Хорошо бы найти металлический шарик от бильярда или от шарикового подшипника. По его размеру подыщите какую-нибудь металлическую пластинку с отверстием. Если диаметр отверстия меньше шарика, круглым напильником расширьте его.
Добейтесь, чтобы шарик, если его положить на отверстие, проваливался, не задерживаясь в нем. Но и зазора между шариком и отверстием не должно быть. Положите шарик на горячую плиту. Если плита газовая, то положите на металлический кружок, который есть у каждой хозяйки для предохранения некоторых блюд от подгорания. Когда шарик хорошо нагреется, возьмите его плоскогубцами и быстро положите на отверстие в пластинке, заранее укрепленной над металлической коробочкой. Шарик от нагревания увеличится в размере и в отверстии будет держаться до тех пор, пока не остынет. Когда остынет, сам проскочит сквозь него.
РАСШИРЕНИЕ МОНЕТЫ
Нагрейте монету и снова попробуйте ее пропустить между пластинками. У вас ничего не получится до тех пор, пока монета не остынет и не примет прежние размеры.
Еще проще можно проделать опыт при помощи двух гвоздей, забитых в дощечку Расстояние между гвоздями должно равняться диаметру неразогретого пятачка.
При нагревании тел растет средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул и среднее расстояние между молекулами. Поэтому все вещества при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Различают линейное и объемное расширение.
Изменение одного определенного размера твердого тела при изменениях температуры называетсялинейным расширением (или сжатием).
Где – длина стержня при 0 0 ,
Коэффициент линейного расширения. Размерность = О С -1 .
Длина тела
при любой температуре t: 
;
При объемном расширении увеличивается объем: , где: – объем тела при 0 0 C.
Объем тела при любой температуре t: , где:
Коэффициент объемного расширения;
Экспериментально установлено, что . Поэтому 
.
Аналогично для площади поверхности
твердого тела: 
.
В жидкостях есть одно замечательное исключение: вода при нагревании от 0 0 C до +4 0 C сжимается, а при охлаждении от +4 0 C до 0 0 C – расширяется. Коэффициент объемного расширения воды сильно меняется при изменении температуры.
Примеры тепловых расширений:
Вода при замерзании расширяется и разрывает горные породы, металлические трубы и другие технические конструкции.
В автоматике применяются биметаллические пластины, использующие различие коэффициентов линейного расширения каждой из двух пластин. При нагревании биметаллическая пластина теряет устойчивость, нажимает на переключатель, в результате чего исполнительный механизм срабатывает.
Тепловые расширения важно учитывать при прокладывании рельсов, натягивании проводов, сооружении мостов и т.д. Выводы из электроламп и радиоламп производят из материала, у которого коэффициент линейного расширения близок к коэффициенту линейного расширения стекла.
Плавление и кристаллизация.
Диаграмма фазовых состояний
Переход вещества из твердого состояния в жидкоесостояние называется плавлением, а переход из жидкого состояния в твердое –отвердеванием или кристаллизацией. Плавление и отвердевание происходит при одной и той же температуре, называемойтемпературой плавления. Давление практически не влияет на величину температуры плавления. Температуру плавления вещества при нормальном атмосферном давлении называютточкой плавления.
При плавлении твердого тела увеличивается расстояния между частицами, образующими кристаллическую решетку, и происходит разрушение самой решетки. У подавляющего большинства веществ объем при плавлении увеличивается, а при отвердевании уменьшается.
Область, в которой вещество однородно по всем физическим и химическим свойствам, называется фазой состояния этого вещества. Жидкая и твердая фазы вещества при одинаковой температуре могут оставаться в равновесии сколь угодно долгое время (лед и вода при 0 0 C). Поэтому пока все вещество не расплавится, его температура остается неизменной , равной температуре плавления.
Теплотой плавления называется количество теплоты, которое необходимо подвести к телу массой m, находящемуся при температуре плавления , чтобы его расплавить.
Где – удельная теплота плавления.
1 Дж/кг.
На рисунке 34 показаны графики изменения температуры вещества при плавлении и отвердевании. Отрезок (рисунок 34а) выражает количество теплоты, полученное веществом при нагревании в твердом состоянии (от до T ПЛ), отрезок - при плавлении и отрезок - при нагревании в жидком состоянии. Отрезок (рисунок 34б) выражает количество теплоты, отданное веществом при охлаждении в жидком состоянии (от до ), отрезок - при отвердевании и отрезок - при охлаждении в твердом состоянии.
Рисунок 34. Графики изменения температуры вещества при плавлении и отвердевании
Многие твердые вещества обладают запахом. Это доказывает, что твердые вещества могут переходить в газообразное состояние, минуя жидкое. Испарение твердых тел называетсявозгонкой или сублимацией (от латинского “сублимате” - возносить). В пищевой промышленности используется обладающий таким свойством “сухой лед” (СО 2). Возможен и обратный процесс – рост кристаллов из газообразного вещества (лед на окнах, зарастание перемычек ПЗУ).
Для каждого вещества можно составить диаграмму состояний в координатах Р и Т (рисунок 35), на основании которой можно легко определить, в каком состоянии будет находиться это вещество при тех или иных внешних условиях. Каждая точка диаграммы соответствует равновесному состоянию вещества, в которых оно может находиться сколь угодно долго.
Кривая KC – зависимость давления насыщающего пара от температуры. Точка K – критическая точка.
Кривая CA – зависимость от температуры давления насыщающих паров, находящихся в равновесном состоянии с поверхностью твердого тела.
Кривая KC – линия равновесия жидкой и газообразной фаз. Прямая BC – линия равновесия жидкой и твердой фаз. Кривая AC – линия равновесия твердой и газообразной фаз.
Точка C изображает равновесие между всеми тремя фазами, ее называют тройной точкой. У гелия нет тройной точки.
1. Расскажите о тепловом расширении твердых тел.
2. Что такое плавление и кристаллизация? Что такое теплота плавления?
3. Что такое возгонка вещества?
4. Расскажите о диаграмме состояний вещества.
Тепловое расширение — изменение линейных размеров и формы тела при изменении его температуры. Для характеристики теплового расширения твёрдых тел вводят коэффициент линейного теплового расширения.
Механизм теплового расширения твердых тел можно представить следующим образом. Если к твердому телу подвести тепловую энергию, то благодаря колебанию атомов в решетке происходит процесс поглощения им теплоты. При этом колебания атомов становятся более интенсивными, т.е. увеличиваются их амплитуда и частота. С увеличением расстояния между атомами увеличивается и потенциальная энергия, которая характеризуется межатомным потенциалом.
Последний выражается суммой потенциалов сил отталкивания и притяжения. Силы отталкивания между атомами с изменением межатомного расстояния меняются быстрее, чем силы притяжения; в результате форма кривой минимума энергии оказывается несимметричной, и равновесное межатомное расстояние увеличивается. Это явление и соответствует тепловому расширению.
Зависимость потенциальной энергии взаимодействия молекул от расстояния между ними позволяет выяснить причину возникновения теплового расширения. Как видно из рисунка 9.2, кривая потенциальной энергии сильно несимметрична. Она очень быстро (круто) возрастает от минимального значения Е р0 (в точке r 0) при уменьшении r и сравнительно медленно растет при увеличении r .
Рисунок 2.5
При абсолютном нуле в состоянии равновесия молекулы находились бы друг от друга на расстоянии r 0 , соответствующем минимальному значению потенциальной энергии Е р0 . По мере нагревания молекулы начинают совершать колебания около положения равновесия. Размах колебаний определяется средним значением энергии Е. Если бы потенциальная кривая была симметричной, то среднее положение молекулы по-прежнему соответствовало бы расстоянию r 0 . Это означало бы общую неизменность средних расстояний между молекулами при нагревании и, следовательно, отсутствие теплового расширения. На самом деле кривая несимметрична. Поэтому при средней энергии, равной , среднее положение колеблющейся молекулы соответствует расстоянию r 1 > r 0 .
Изменение среднего расстояния между двумя соседними молекулами означает изменение расстояния между всеми молекулами тела. Поэтому размеры тела увеличиваются. Дальнейшее нагревание тела приводит к увеличению средней энергии молекулы до некоторого значения , и т. д. При этом увеличивается и среднее расстояние между молекулами, так как теперь колебания совершаются с большей амплитудой вокруг нового положения равновесия: r 2 > r 1 , r 3 > r 2 и т. д.
Применительно к твердым телам, форма которых при изменении температуры (при равномерном нагревании или охлаждении) не меняется, различают изменение линейных размеров (длины, диаметра и т. п.) — линейное расширение и изменение объема — объемное расширение. У жидкостей при нагревании форма может меняться (например, в термометре ртуть входит в капилляр). Поэтому в случае жидкостей имеет смысл говорить только об объемном расширении.
Основной закон теплового расширения твердых тел гласит, что тело с линейным размером L 0 при увеличении его температуры на ΔT расширяется на величину ΔL , равную:
ΔL = αL 0 ΔT, (2.28)
где α — так называемый коэффициент линейного теплового расширения .
Аналогичные формулы имеются для расчета изменения площади и объема тела. В приведенном простейшем случае, когда коэффициент теплового расширения не зависит ни от температуры, ни от направления расширения, вещество будет равномерно расширяться по всем направлениям в строгом соответствии с вышеприведенной формулой.
Коэффициент линейного расширения зависит от природы вещества, а также от температуры. Однако, если рассматривать изменения температуры в не слишком широких пределах, зависимостью α от температуры можно пренебречь и считать температурный коэффициент линейного расширения величиной постоянной для данного вещества. В этом случае линейные размеры тела, как вытекает из формулы (2.28), зависят от изменения температуры следующим образом:
L = L 0 (1 +αΔT ) (2.29)
Из твердых тел сильнее всех расширяется воск, превышая в этом отношении многие жидкости. Коэффициент теплового расширения воска в зависимости от сорта в 25 - 120 раз больше чем у железа. Из жидкостей сильнее других расширяется эфир. Однако есть жидкость, расширяющаяся в 9 раз сильнее эфира - жидкая углекислота (СО3) при +20 градусах Цельсия. Ее коэффициент расширения в 4 раза больше, чем у газов.
Наименьшим коэффициентом теплового расширения из твердых тел обладает кварцевое стекло - в 40 раз меньше, чем железо. Кварцевую колбу раскаленную до 1000 градусов можно смело опускать в ледяную воду, не опасаясь за целостность сосуда: колба не лопается. Малым коэффициентом расширения, хотя и большим, чем у кварцевого стекла, отличается также алмаз.
Из металлов, меньше всего расширяется сорт стали, носящий название инвар, коэффициент его теплового расширения в 80 раз меньше, чем у обычной стали.
В приведенной ниже таблице 2.1 показаны коэффициенты объемного расширения некоторых веществ.
Таблица 2.1 - Значение изобарического коэффициента расширения некоторых газов, жидкостей и твёрдых тел при атмосферном давлении
| Коэффициент объёмного расширения | Коэффициент линейного расширения | ||||
| Вещество | Тем-ра, °С | α×10 3 , (°C) -1 | Вещество | Тем-ра, °С | α×10 3 , (°C) -1 |
| Газы | Алмаз | 1,2 | |||
| Графит | 7,9 | ||||
| Гелий | 0-100 | 3,658 | Стекло | 0-100 | ~9 |
| Кислород | 3,665 | Вольфрам | 4,5 | ||
| Жидкости | Медь | 16,6 | |||
| Вода | 0,2066 | Алюминий | |||
| Ртуть | 0,182 | Железо | |||
| Глицерин | 0,500 | Инвар (36,1% Ni) | 0,9 | ||
| Этиловый спирт | 1,659 | Лед | -10 o до 0 о С | 50,7 |
Контрольные вопросы
1. Дать характеристику распределению нормальных колебаний по частотам.
2. Что такое фонон?
3. Объяснить физический смысл температуры Дебая. Чем определяется значение температуры Дебая для данного вещества?
4. Почему при низких температурах решёточная теплоёмкость кристалла не остается постоянной?
5. Что называется теплоёмкостью твёрдого тела? Чем она определяется?
6. Объяснить зависимость решёточной теплоёмкости кристалла Cреш от температуры T.
7. Получить закон Дюлонга-Пти для молярной теплоёмкости решётки.
8. Получить закон Дебая для молярной теплоёмкости решётки кристалла.
9. Какой вклад вносит электронная теплоемкость в молярную теплоемкость металла?
10. Что называется теплопроводностью твёрдого тела? Чем она характеризуется? Чем осуществляется теплопроводность в случаях металла и диэлектрика.
11. Как зависит коэффициент теплопроводности кристаллической решётки от температуры? Объяснить.
12. Дать определение теплопроводности электронного газа. Сравнить χ эл и χ реш в металлах и диэлектриках.
13. Дать физическое объяснение механизму теплового расширения твёрдых тел? Может ли КТР быть отрицательным? Если да, то объяснить причину.
14. Объяснить температурную зависимость коэффициента теплового расширения.
3.134). В ряду твердых растворов минимальная теплопроводность компонентов резко снижается при введении примесей даже в сравнительно небольших количествах. Дальнейшее повышение концентрации твердого раствора влияет на теплопроводность значительно меньше.
При образовании гетерогенных смесей в бинарной системе теплопроводность изменяется приблизительно линейно в зависимости от объемной концентрации компонентов. Эта зависимость теплопроводности, как и в случае электропроводности, может быть распространена и на гетерогенные области диаграммы состояния, ограниченные не чистыми металлами, а твердыми растворами или промежуточными фазамиα иβ . В этом случае теплопроводность каждого сплава, лежащего в гетерогенной области, можно найти по прямой линии, соединяющей значенияλ α иλ β для твердых растворов и промежуточных фаз предельной концентрации. Все сказанное относительно отклонения от прямолинейной зависимости электропроводности в гетерогенных смесях можно повторить также и для теплопроводности. Существенно, что значения как электропроводности, так и теплопроводности для любого сплава гетерогенной области находятся между крайними значениями этих свойств для фаз. Специальный случай гетерогенных смесей представляют собойкомпозиционные материалы , состоящие из параллельных волокон или пластин металла или сплава, равномерно распределенных в матрице из другого металла или сплава. Для таких материалов при расчете теплопроводности необходимо учитывать геометрию расположения волокон (пластин).
3.7.4. Термическое расширение твердых тел
При повышении температуры возрастает интенсивность тепловых колебаний атомов в узлах кристаллической решетки. В результате увеличиваются межатомные расстояния и линейные размеры кристалла. Способность твердого тела изменять свои линейные размеры при нагреве (охлаждении) характеризуется коэффициен-
тами линейного и объемного расширений (α и β соответственно):
∂l | ||||||||||||
∂ Tp | ||||||||||||
∂V | ∂p | |||||||||||
∂T | ||||||||||||
∂ TV | ||||||||||||
твердых телах коэффициенты линейного расширения одинаковы по
всем направлениям и β = 3α . | Тепловое расширение обуслов- |
||
лено ангармонизмом колебаний: в |
|||
гармоническом | приближении |
||
среднее расстояние между ато- |
|||
мами не зависит от амплитуды |
|||
колебаний, а, следовательно, и от |
|||
температуры. В самом деле, об- |
|||
к кривой зависимости |
|||
потенциальной | энергии взаимо- |
||
действия | частиц твердого тела |
||
от расстояния между ними (рис. |
|||
Рис. 3.135. Изменение |
|||
потенциальной энергии атома | |||
в зависимости от расстояния | При абсолютном нуле части- |
||
между атомами | цы располагаются на расстояни- |
||
ях r 0 , отвечающих минимуму энергии взаимодействияU 0 . Эти расстояния определяют размер тела при абсолютном нуле. С повышением температуры частицы начинают колебаться около положений равновесия. Когда колеблющаяся частица проходит через положение равновесия, то ее потенциальная энергия минимальна, а кинетическая энергия− максимальна. В крайних положениях колеблющаяся частица обладает максимальной потенциальной энергией и нулевой кинетической. Повышение температуры тела приводит к увеличению максимальной потенциальной энергии: при температуреТ 4 она составляетU 4 . Каждому значению потенциальной энергии на кривой соответствует два значения межатомного рас-
стояния (например, точки А иВ дляU 4 ), из которых первое характеризует наибольшее сближение, а второе− наибольшее удаление пары соседних частиц. Среднее положение колеблющейся частицы при данном максимальном значении потенциальной энергии определяется серединой соответствующего горизонтального отрезка. Так, для температурыТ 4 среднее расстояние между частицами равноr 4 >r 0 . Это соответствует увеличению среднего расстояния между частицами нах .
Таким образом, с повышением температуры увеличивается максимальная потенциальная энергия колеблющихся частиц, увеличивается амплитуда их колебаний в узлах решетки и среднее расстояние между частицами. Все это обусловлено несимметричностью кривой потенциальной энергии взаимодействия, т.е. ангармоническим характером колебаний частиц в узлах решетки.
Произведем оценку коэффициента теплового расширения α для линейной цепочки атомов.
Всегда в условиях равновесия силы взаимодействия между частицами в узлах решетки (в том числе и одномерной) равны нулю. Разложим в ряд Тейлора функцию f (r ), описывающую силу взаимодействия атомов в зависимости от расстоянияr между ними, в окрестности точки равновесияr 0 . Ограничиваясь квадратичным членом, выразим силу взаимодействия как функцию смещения частицыx от положения равновесия:
Среднее значение силы, возникающей при смещении частицы от положения равновесия, равно
f (x) = − a x+ b x2 .
При свободных колебаниях частицы | f (x )= 0 , поэтому |
a х = b x 2 . Отсюда находим | |
x = b x2 / a. |
С точностью до величины второго порядка малости потенциальная энергия колеблющейся частицы определяется соотношением U (x )≈ ax 2 / 2 , а ее среднее значение равноU (x )≈ a x 2 / 2 . Отсюда находим
x2 ≈ U(x) / a.
Подставив это выражение в (3.213), получим
x2 ≈ 2 b U(x) / a2 .
Помимо потенциальной энергии U (х ) колеблющаяся частица обладает кинетической энергиейЕ к , причемU (x ) = E к . Полная
энергия частицы E = E к + U (x ) = 2U (x ). Это позволяет выражение дляx переписать в следующем виде:
x = gE/ a2 .
Относительное линейное расширение, представляющее собой
отношение изменения среднего расстояния | между частицами к |
||||||||||||||
нормальному расстоянию r 0 между ними, равно | |||||||||||||||
а коэффициент линейного расширения | |||||||||||||||
где c V − теплоемкость, отнесенная к одной частице.
Таким образом, коэффициент линейного расширения оказывается пропорциональным теплоемкости тела.
Поскольку в области высоких температур энергия линейно колеблющихся частиц равна kT , то теплоемкостьc V , отнесенная к
частице, равна постоянной Больцмана k. Поэтому коэффициент расширения линейной цепочки атомов будет равен
Подстановка в эту формулу числовых значений для различных твердых тел дает для α величину порядка 10-4 ÷ 10-5 , что удовлетворительно согласуется с опытом. Опыт также подтверждает, что в области высоких температурα практически не зависит от температуры.
В области низких температур α ведет себя подобно теплоемкости: уменьшается с понижением температуры и при приближении
к абсолютному нулю стремится к нулю.
В заключение отметим, что формула для трехмерного изотропного твердого тела, подобная (3.214), была впервые предложена
Грюнайзеном и имела вид
3 VV
K = 1/D − коэффициент сжимаемости;V − атомный объем;γ − постоянная Грюнайзена , значение которой для большинства металлов лежит в пределах 1,5÷ 2,5. Постоянная Грюнайзена определяется распределением колебаний по модам.
Так как в теории Грюнайзена постоянная γ от температуры не зависит, аK иV одинаково незначительно зависят от температуры (чем выше температура, тем больше сжимаемость и атомный объ-
ем), то температурная зависимость коэффициента термического расширения определяется температурной зависимостью теплоемкости.
Таким образом, в диэлектриках при низких температурах (T <<θ D ) коэффициент термического расширенияα Т 3 , а при высоких температурах (T >θ D )α = const, если не учитывать изменения теплоемкости решетки за счет ангармонического характера колебаний и вклада вакансий.
Для металла помимо теплоемкости решетки необходимо дополнительно учитывать электронную теплоемкостьС эл . Выражение (3.210) для коэффициента линейного расширения в случае изотропного металлического тела можно записать в виде
∂p | ∂p | ∂p | ||||||||||||||||||
∂T | ||||||||||||||||||||
∂ TV | ∂ TV |
|||||||||||||||||||
или с учетом уравнения Грюнайзена (3.213) | ||||||||||||||||||||
∂P | ||||||||||||||||||||
γС | ||||||||||||||||||||
∂ TV | ||||||||||||||||||||
Поскольку уравнение состояния газа свободных электронов с
энергией U имеет видp = | А сжимаемость электронного газа |
|||||||||||||||
слабо зависит от температуры, то | ||||||||||||||||
∂ pэл | ∂U | |||||||||||||||
∂T | ∂T | |||||||||||||||
Подставив это выражение в | (3.214), окончательно получим вы- |
|||||||||||||||
ражение для коэффициента линейного расширения металла: |
||||||||||||||||
γ С реш+ | C эл. | |||||||||||||||
Так как γ имеет значение порядка единицы, то электронный вклад в тепловое расширение металла становится существенным только при очень низких температурах – порядка 10 К.
Подводя итог анализу механизмов изменения коэффициента линейного расширения с температурой, можно заключить, что в самом общем случае температурную зависимость α можно представить в виде
α = AD | ||||||||||
где А ,B иC − постоянные; | D (θ T /T )− функция Дебая. Последний |
|||||||||
член в этом выражении, связанный с образованием равновесных вакансий, играет заметную роль только при предплавильных температурах.
Деформация металлов, вызывающая искажения кристаллической решетки и усиливающая вследствие этого ангармоническую
составляющую колебаний, несколько увеличивает коэффициент термического расширения.
Поскольку коэффициент линейного расширения определяется энергией межатомного взаимодействия, то существуют ряд корреляционных соотношений, связывающих α с другими физическими характеристиками твердого тела.
Пределы объемного расширения в твердом состоянии определяются критерием Линдемана , согласно которому при температуре плавления среднее смещение атома из положения равновесия составляет определенную долю межатомного расстояния. Этот критерий даетα Т пл =С 0 , где постояннаяС 0 для большинства металлов с кубической и гексагональной решетками колеблется от 0,06 до
Наблюдается и другая корреляция:
рактеризующая энергию связи между атомами.
Для магнитных металлов и сплавов (ферро-, ферри- и антиферромагнетиков) наличие магнитного порядка вносит существенный вклад в термическое расширение. Этот вклад довольно велик и может быть соизмерим с вкладом решетки. Природа этого явления одинакова с явлением магнитострикции− изменения линейных размеров при намагничивании.
Магнитный вклад в термическое расширение пропорционален изменению обменной энергии при изменении межатомного расстояния и его знак определяется знаком производной обменного интеграла по объему (см. рис. 3.108). Следовательно, при возникновении спинового порядка хром, марганец, железо увеличивают свой объем, а никель− уменьшает. Поэтому при нагревании до точки Кюриθ К (Нееляθ N ), когда спиновый порядок уменьшается, у металлов с положительной производной обменного интеграла происходит магнитное сжатие решетки, уменьшающее тепловое решеточное расширение.
Например, у железа коэффициент α уменьшается от 16,5. 10-6 К-1 до 14,7. 10-6 К-1 при нагревании от 800 до 1000 К (θ К = 1043 К). У хромаα подает почти до нуля при нагреве до комнатной температуры (θ N = 300 К). У никеля наблюдается заметное увеличениеα при нагревании (рис. 3.136).
Рис. 3.136. Теоретические и экспериментальные значения коэффициента линейного расширения никеля (пунктирная
и сплошная линии соответственно)
Магнитный вклад в тепловое расширение у некоторых сплавов может быть особенно сильным. Так у сплавов Fe− (30÷ 40) % Ni он сравним с решеточным и имеет противоположный знак. В результате такие сплавы, носящие названиеинваров , имеют при комнатной температуре коэффициент теплового расширения близкий к нулю (рис. 3.137).
Рис. 3.137. Зависимость коэффициента линейного расширения сплавов системы Fe–Ni
от химического состава
При температурах выше точки Кюри (более 500 К) значение коэффициента α приближается к своему теоретическому значению