инженеров.net - научно-познавательный сайт. Металл при нагревании расширяется или сжимается
Магнитные наночастицы в отличие от большинства материалов сжимаются при нагревании
Обычно материалы обладают положительным коэффициентом температурного расширения, то есть их линейные размеры увеличиваются при нагревании. Так, бетонные конструкции в жаркий день могут деформироваться из-за неравномерного прогревания. Японские ученые из исследовательского центра RIKEN, Университета Сага (Saga University) и Национального Института Передовой Прикладной Науки и Технологии (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, AIST) выявили несколько материалов, которые не подчиняются этому эмпирическому правилу. В работе, опубликованной недавно в журнале Nature Nanotechnology, сообщается, что наночастицы оксида меди CuO, как это ни удивительно, сжимаются при нагревании
На изображении, полученном с помощьюдифракции электронов, видно, что расстояниемежду белыми пятнами обратнопропорционально расстоянию между атомамив частицах CuO, и может уменьшаться илиувеличиваться при расширении илисжатии тела, соответственно.
Наночастицы размером около 5 нм были получены путем измельчения макроскопических кристаллов CuO. Исследуя с помощью рентгеновской и электронной дифракции изменение межатомных расстояний при изменении температуры от –253.15°C до –73.15°C (200К), ученые выявили уменьшение объема вещества примерно на 1%: этот эффект в несколько раз сильнее, чем у других материалов, сжимающихся при нагревании. При дальнейшем увеличении температуры (выше 200 К) наночастицы начинают расширяться.
Основным фактором, вызывающим температурное расширение вещества, является, как известно, нагнетающийся при нагревании колебательный профиль атомов; вместе с этим увеличиваются как вероятность нахождения атома вне своего равновесного положения, так и объем пространства вероятного нахождения атома. Отрицательный же коэффициент температурного расширения наблюдается когда вследствие нагревания атомы имеют тенденцию к сближению. Например, если атом кислорода, связанный с двумя атомами металла, будет при нагревании вибрировать перпендикулярно линии связей, то это приведет к сближению атомов.
Существует несколько объяснений возникновения отрицательного коэффициента температурного расширения; в зависимости от структуры материала ученые говорят о взаимодействии низкоэнергетических возбуждений (фононов) с кристаллической решеткой, либо о стерической подвижности связей.
Однако в случае эффекта, наблюдаемого в наночастицах CuO, ученые связывают его с магнитными свойствами наночастиц, поскольку температура перехода из обычного состояния в состояние с отрицательным коэффициентом температурного расширения коррелирует с температурой изменения магнитных свойств CuO. Такой же эффект ученые наблюдали и во фториде марганца (II) – MnF2, который тоже обладает магнитными свойствами. К тому же, макроскопические частицы CuO и MnF2 обладают ярко выраженной магнитострикцией, то есть способны изменять форму и линейные размеры при воздействии внешнего магнитного поля – магнитострикция этих материалов приводит к значительному расширению макроскопических частиц.
Объяснение японскими учеными этого эффекта для магнитных наночастиц приводится в терминах магнитострикции и инвар-эффекта (явления компенсации коэффициента теплового расширения спонтанной магнитострикцией): при низкой температуре, когда материал находится в магнитном состоянии, атомы металла выстраиваются попарно, образуя нано-магниты. Эти структуры претерпевают между собой отталкивание, и таким образом расстояние между намагниченными атомами увеличивается; следовательно, когда такой материал нагревается, а атомы начинают вибрировать, происходит некоторое нивелирование магнитного межатомного отталкивания, проявляющееся в виде сжатия материала при нагревании, то есть наблюдается отрицательный коэффициент температурного расширения.
Ученые предполагают, что описанное явление – одно из основных свойств магнитных наночастиц, демонстрирующее сильную взаимосвязь между магнетизмом и кристаллической структурой материала. Создание новых материалов с «настраиваемыми» положительными и отрицательными коэффициентами температурного расширения на основе инвар-эффекта и нового свойства магнитных наночастиц, безусловно, представляет интерес для практического использования.
Ученые надеются руководствуясь этой теорией открыть и другие магнитные наночастицы, обладающие в некотором диапазоне температур свойством сжиматься при нагревании.
Мария Костюкова
Тепловое расширение • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»
Изменение линейных размеров тела при нагревании пропорционально изменению температуры.
Подавляющее большинство веществ при нагревании расширяется. Это легко объяснимо с позиции механической теории теплоты, поскольку при нагревании молекулы или атомы вещества начинают двигаться быстрее. В твердых телах атомы начинают с большей амплитудой колебаться вокруг своего среднего положения в кристаллической решетке, и им требуется больше свободного пространства. В результате тело расширяется. Так же и жидкости и газы, по большей части, расширяются с повышением температуры по причине увеличения скорости теплового движения свободных молекул (см. Закон Бойля—Мариотта, Закон Шарля, Уравнение состояния идеального газа).
Основной закон теплового расширения гласит, что тело с линейным размером L в соответствующем измерении при увеличении его температуры на ΔТ расширяется на величину ΔL, равную:
ΔL = αLΔT
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.
Для инженеров тепловое расширение — жизненно важное явление. Проектируя стальной мост через реку в городе с континентальным климатом, нельзя не учитывать возможного перепада температур в пределах от —40°C до +40°C в течение года. Такие перепады вызовут изменение общей длины моста вплоть до нескольких метров, и, чтобы мост не вздыбливался летом и не испытывал мощных нагрузок на разрыв зимой, проектировщики составляют мост из отдельных секций, соединяя их специальными термическими буферными сочленениями, которые представляют собой входящие в зацепление, но не соединенные жестко ряды зубьев, которые плотно смыкаются в жару и достаточно широко расходятся в стужу. На длинном мосту может насчитываться довольно много таких буферов.
Однако не все материалы, особенно это касается кристаллических твердых тел, расширяются равномерно по всем направлениям. И далеко не все материалы расширяются одинаково при разных температурах. Самый яркий пример последнего рода — вода. При охлаждении вода сначала сжимается, как и большинство веществ. Однако, начиная с +4°C и до точки замерзания 0°C вода начинает расширяться при охлаждении и сжиматься при нагревании (с точки зрения приведенной выше формулы можно сказать, что в интервале температур от 0°C до +4°C коэффициент теплового расширения воды α принимает отрицательное значение). Именно благодаря этому редкому эффекту земные моря и океаны не промерзают до дна даже в самые сильные морозы: вода холоднее +4°C становится менее плотной, чем более теплая, и всплывает к поверхности, вытесняя ко дну воду с температурой выше +4°C.
То, что лед имеет удельную плотность ниже плотности воды, — еще одно (хотя и не связанное с предыдущим) аномальное свойство воды, которому мы обязаны существованием жизни на нашей планете. Если бы не этот эффект, лед шел бы ко дну рек, озер и океанов, и они, опять же, вымерзли бы до дна, убив всё живое.
elementy.ru
почему при нагревании тела расширяются а при охлаждении сжимаются
Расширение тел при нагревании и сжатие при охлаждении связано с тем, что молекулы или другие частицы образующих их веществ находятся в беспрерывном движении. При нагревании тела движение частиц вещества усиливается, они отодвигаются друг от друга на большее расстояние, что и приводит к расширению тела. При охлаждении тела движение частиц замедляется, расстояния между ними сокращаются и тело сжимается. Сами молекулы или другие частицы веществ, из которых состоят тела, при нагревании или охлаждении не изменяются.
Кинетика молекул, однако...
При нагреве увеличивается растояние между атомами.
touch.otvet.mail.ru
Нагрев металла перед обработкой давлением.
Нагрев металла перед применением ковки является важным и ответственным пунктом, от которого в большой степени зависит качество, стойкость изделия и эффективность выполненной работы. Для будущих мастеров важным является изучение явлений, происходящих при нагреве металла, и соблюдение инструкций по проведению ручной ковки. При совершении манипуляций нагрева, изменяются строение и свойства сплава, состояние его наружных слоев, структуры и пр. Каждый отдельный сплав наделен температурным интервалом обрабатывания давлением и режимом нагрева. При нарушении данных указаний по нагреву деталей снижается их качество, за чем может последовать и их разрушение.
Что происходит с металлом при нагреве:
- Процессы, происходящие при нагреве в наружном слое заготовки изделий.
Во время увеличения температуры показатели активности взаимодействия металлов и атмосферы становятся выше. При нагревании стали, на поверхности изделия образовывается слой окисла железа FeO,Fe2O 3, Fe3O4 – окалина. Температура и продолжительность нагрева, место, где находятся
заготовки в печи, химсостав сплава и состав печных газов – все это влияет на толщину окалины.
Самые высокие показатели интенсивности окисления стали доходят в температурном режиме до > чем 900 градусов. Так при температуре в 1 000 градусов скорость окисления становится больше в 2 раза, а при температуре в 1 200 градусов – в 5 раз.
Последствием образования окалины являются - потеря металла, снижение производительности труда, увеличение показателей припусков на механическую обработку, и это ведет к меньшей стойкости инструмента во время обработки при совершении резания и давления.
При нагреве сталей из углерода образуется рыхлый слой окалины. Его легко удалить, но он не защищает сплав от окисления. Нагревание углеродистых сталей сопровождает также выгорание из поверхностного слоя всего углерода, а затем его посадкой на 2 - 4 мм. Снижение количества углерода приведет к меньшей прочности и твердостных характеристик состава стали.
Окалина, вышедшая у стальной детали легированного хрома, никеля, кремния, вольфрама имеет небольшую толщину, очень плотная и не расклеивается. Она и защищает от последующих влияний на окисление сплава.
Хромоникелевую сталь прозвали жароупорной, за счет того что она почти не окисляется.
- Изменение размера заготовки.
Усадка влияет на размер детали и форму, что особо точно сказывается на деталях сложной конструкции с длинными отростками, где усадка может привести к большому короблению поковки. Особенно важным является учет усадки металла при выполнении рабочих ручьев штампов для проведения крупной по объёму штамповки деталей изделия, особенно при проведении точной объёмной штамповки из деталей дорогих изделий сплавов.
Во время нагревания металл расширяется, а при его охлаждении – сжимается. При совершении ковки стальных поковок, которые обычно деформируются при температуре 1 100-1 200 градусов, величину усадки вычисляют приблизительно, взяв усадку как 1,2% от размера детали в горячем положении. Приведем пример: так длина поковки составляет 500 мм, а затем после охлаждения она будет равняться 495 мм в длину. Если не учитывать усадку металла, то получится брак поковки по размерам.
- Неравномерный нагрев и выравнивание температуры по сечению заготовок.
По сечению заготовки прогрев происходит благодаря теплоотдаче, проходящей от наружного слоя к внутреннему. Скорость нагрева - увеличение температурных показателей заготовки за единицу взятого времени. Так чем ниже коэффициент тепловой отдачи металла, тем с большей скоростью происходит нагрев, и большая разница в температуре между наружным и внутренним слоем заготовки детали.
При воздействии высокой температуры наружные слои становятся шире, чем внутренние, между ними образуется большое напряжение, которое в последствии может разрушить заготовку.
Для многих заготовок, выполненных из углеродистой конструкционной стали с сечением до 100 миллиметров не страшен быстрый нагрев, поэтому их спокойно можно ложить в печь холодными.
Высоколегированная и высокоуглеродистая сталь, а также многие сложные сплавы обладают низкой теплопроводностью. С целью избегания появления трещин их нужно медленно нагревать. Эти стали сначала погружаются в печь с небольшой температурой, потом в течение некоторого времени после того как они там полежат и прогреются, только после этого следует начинать дельнейшее увеличение температуры.
После прогрева наружных слоев заготовки до достижения температуры ковки, нужно чтобы заготовка осталась в печи для получения равной температуры всех слоев сечения, этот процесс носит название – время выдержки.
Также как и нагрев, охлаждение поковок должно проходить с небольшой скоростью. Если поковка охлаждается слишком быстро, может возникнуть термическое напряжение, что приведет к трещинам поковки и даже браку.
26.05.14
www.otkuem.ru
Кое-что о материалах, способных сжиматься при нагревании
С миру по нитке
Кое-что о материалах, способных сжиматься при нагревании
Если у вас есть запломбированные зубы, то вам наверняка приходилось чувствовать некий дискомфорт во рту, когда, к примеру, вы пили горячий чай.
Дело в том, что скорость термического расширения пломбировочного материала отличается от таковой для самогó зуба, отсюда и непривычные ощущения.
Но, как бы это ни противоречило нашей житейской интуиции, не все материалы расширяются при нагревании: есть и такие, что сжимаются.
Одно из недавних исследований в области так называемых материалов с отрицательным коэффициентом термического расширения (NTE, negative thermal expansion) привело к открытию сплавов, демонстрирующих неожиданно большое сжатие.
Вообще говоря, контроль над термическим расширением композитов чрезвычайно важен в таких, например, областях, как наноразмерная электроника, создание теплоэлектрических устройств, топливных ячеек следующего поколения, да даже и в автомобилестроении: представьте себе двигатель, в котором вдруг очень уж резко начинает расширяться камера сгорания или сам поршень. Если бы можно было объединить NTE-материалы с «нормальными», это позволило бы уменьшить совокупное расширение в композиционном материале (и тогда вам не мешали бы никакие пломбы). Примером такого композита является инвар, железо-никелевый сплав с уникально низким коэффициентом термического расширения. Более всего он пригодился там, где требуется высокая стабильность, — к примеру, в высокоточных инструментах и часах.
Коши Такенака из Нагойского университета (Япония) занят практическими применениями NTE-материалов. В последнем номере журнала Science and Technology of Advanced Materials г-н Такенака опубликовал очень любопытный обзор «Negative thermal expansion materials: technological key for control of thermal expansion», в котором рассмотрены физические механизмы, ответственные за эффект NTE; особый упор сделан на самые последние исследования в этой области. Статья, доступная для загрузки, совершенно точно будет интересна материаловедам.
Г-н Такенака предсказывает, что скоро NTE-материалы серьёзно расширят наши возможности контроля над термическим расширением, приведут к выработке новой парадигмы в науке о материалах и технологии композитов с управляемым коэффициентом термического расширения. Одной из сложнейших проблем, которая стоит сейчас перед учёными, работающими в этой области, является нестабильность интерфейса, возникающего при добавлении NTE-материала к обычным композитам. Поэтому, по мнению исследователя, критически важно как можно скорее начать разработку методов получения стабильных интерфейсов между композитом-«хозяином» и NTE-компенсатором.
Разумеется, не стоит забывать и об однокомпонентных материалах, таких как марганцевые антиперовскиты, ванадат циркония, вольфрамат гафния и др., которые также обладают очень незначительным коэффициентом термического расширения. Эх, если бы не их высокая стоимость, хрупкость и низкая проводимость — цены бы им не было...
www.worldofnature.ru
при нагревании вода сжимается или расширяется?помогите.
Чуть-чуть подправлю вопрос: при охлаждении вода сжимается, а при темп. ниже 3 град. расширяется на 1/9 своего объема, т. е. при замерзании 9 л воды получится 10 л льда. Это происходит за счет изменения кристаллической решетки, она становится правильной с шестью лучами. Крокозябочке : про разрыв трубы внутрь никому не говорите. Если Вам платье ужасно широко, Вы не сможете порвать его по швам своим телом.
при нагревании, вроде, все расширяется
если изо льда то сжимается, а если просто греть то ни то и не другое вроде, если кипит то просто в парообразное состояние переходит.
наибольшая плотность при 4 градусах Цельсия. охлаждение или нАгрев от этой точки будет вызывать расширение.
Вода при нагревании расширяется, а при охлаждении сжимается!
При нагревании вода расширяется
При охлаждении вода расширяется, а при нагревании сжимается.
touch.otvet.mail.ru
Ученые заставили металл не расширяться при нагревании
Ученым из Калифорнийского технологического института удалось заставить металлический сплав не расширяться при нагревании. Об этом сообщается в пресс-релизе университета, а статья ученых появилась в журнале Physical Review Letters.
В рамках работы ученые занимались изучением механизмов, которые обуславливают слабое термическое расширение некоторых сплавов (их еще называют инварными). Для этого они рассматривали сплав железа и палладия в соотношении один к трем. Известно, что этот материал ведет себя как обычный сплав и достаточно сильно расширяется при нагревании.
Образец сплава исследователи поместили между двумя алмазными наковальнями и подействовали на него давлением, в 326 тысяч раз превышающим атмосферное. Нагрев материала, проводимый при высоком давлении, позволил обнаружить у образца инварное поведение.
Чтобы выяснить причины превращения данного материала, ученые изучили образец при помощи рентгеновской микроскопии в Аргоннской национальной лаборатории. В результате им удалось установить, что из-за давления электроны в полученном материале переходят в особое состояние. В результате, при нагреве внутри сплава происходят сложные магнитные процессы, которые и не дают материалу расширяться.
По словам исследователей, новые результаты помогут в создании более эффективных моделей поведения материалов. Кроме того, ученые отмечают, что их данные проливают свет на некоторые аспекты инварного поведения материалов, объяснение которого является одной из важнейших нерешенных задач теоретической механики.
Инварные материалы были открыты швейцарским физиком Шарлем Гийомом в 1896 году. Свое имя они получили за то, что их линейные размеры остаются инвариантными при нагреве. Первый инварный сплав состоял из никеля и железа.
www.lenta.ru
ingenerov.net
