Rozszerza się, gdy inne się kurczą

[KopalniaWiedzy.pl 320]

Większość materiałów kurczy się pod wpływem zimna i rozszerza pod wpływem ciepła. Naukowcy wciąż nie do końca rozumieją, dlaczego ciała stałe zachowują się w ten sposób. Tymczasem fizyk Jason Hancock z University of Connecticut bada substancję, która kurczy się pod wpływem ciepła, a rozszerza pod wpływem zimna. Badania nad trifluorkiem skandu pomogą zrozumieć, dlaczego wraz ze zmianą temperatury zmienia się objętość, a to z kolei pomoże tworzyć bardziej wytrzymałe materiały.
Ciała stałe zbudowane są z atomów połączonych za pomocą wiązań sieci krystalicznej. Jako, że każde z tych wiązań, gdy się rozszerza, oddziałuje na wiązania sąsiednie, a wszystkie rozszerzają się tak samo i oddziałują na sąsiadów z taką samą siłą, materiał nie powinie się ani rozszerzać ani kurczyć. W wielu zastosowaniach taki model się sprawdza. Wyjaśnia rozpraszanie neutronów i promieniowania rentgenowskiego oraz wiele innych zjawisk optycznych, wyjaśnia prędkość fal dźwiękowych, elastyczność i przewodnictwo cieplne, nawet temperaturę graniczną w niektórych nadprzewodnikach - mówi Hancock. Nie wyjaśnia jednak, dlaczego materiały zmieniają objętość pod wpływem temperatury.

Hancock i jego student Sahan Handunkanda postanowili więc przyjrzeć się trifluorkowi skandu w nadziei, że jego nietypowe właściwości pozwolą na wyjaśnienie zagadki rozszerzalności cieplnej. Trifluorek skandu zachowuje się naprawdę niezwykle. Nie tylko znacznie kurczy się gdy jest podgrzewany nawet do 1100 kelwinów (826 stopni Celsjusza), ale zachowuje stabilną strukturę krystaliczną od niemal zera absolutnego do 1800 kelwinów (1527 stopni Celsjusza), kiedy to zaczyna się topić. Niewiele materiałów jest tak stabilnych. W większości dochodzi do jakiejś zmiany fazy i przemieszczania się atomów.

Amerykanie uzyskali doskonały kryształ trifluorku skandu z Kireńskiego Instytutu Fizyki w Krasnojarsku i poddali go badaniom za pomocą promieniowania rentgenowskiego w Advanced Photon Source w Argonne National Laboratory. Badania wykazały, że molekuły trifluorku skandu wydają się obracać w miejscu, nawet w temperaturach bliskich zeru absolutnemu. Cała struktura jest bardziej "miękka" niż większość materiałów w temperaturze 0 kelwinów. Ta "miękkość" wskazuje, że materiał jest na krawędzi zmiany fazy, ale do zmiany tej nigdy nie dochodzi. Taka zmiana w tak niskiej temperaturze to kwantowe przejście fazowe, które jest przedmiotem bardzo intensywnych badań.

Dane uzyskane podczas badania trifluorku skandu sugerują, że istnieje bardzo silny związek pomiędzy siłami kwantowymi, a kurczeniem się materiału w miarę jego ogrzewania się. Hancock i Handunkanda zapowiadają dalsze badania nad tym zjawiskiem.

« powrót do artykułu

[Gość Astro]

Tymczasem fizyk Jason Hancock z University of Connecticut bada substancję, która kurczy się pod wpływem ciepła, a rozszerza pod wpływem zimna

 

No to proponuję odkrywcom wlać po korek wody do butelki, zakręcić i "dostarczyć zimna"^(*) (sic! ) – najlepiej w zamrażarce. Ciekawe, czy się zdziwią.

 

Hancock i jego student Sahan Handunkanda postanowili więc przyjrzeć się trifluorkowi skandu w nadziei, że jego nietypowe właściwości pozwolą na wyjaśnienie zagadki rozszerzalności cieplnej

 

Aby zagadka dotyczyła tylko jednej fazy proponuję badaczom przyjrzeć się zachowaniu wody w zakresie temperatur od 0 do jakichś 4 stopni Celsjusza. Ciekawe do badania mogą być też koszulki termokurczliwe (wątpię, czy da się je wynaleźć na nowo, ale może warto próbować).

 

^(*) skoro

Większość materiałów kurczy się pod wpływem zimna i rozszerza pod wpływem ciepła

Edycja: tak zastanawiam się jeszcze, czy "zaokrąglenie" do 1527

od niemal zera absolutnego do 1800 kelwinów (1527 stopni Celsjusza)

bierze się z "niemal zera absolutnego" (niemal idealnie trafili z tym, co po przecinku )?

Edytowane 13 października 2015 przez Astro

[thikim 117]

Ciała stałe zbudowane są z atomów połączonych za pomocą wiązań sieci krystalicznej. Jako, że każde z tych wiązań, gdy się rozszerza, oddziałuje na wiązania sąsiednie, a wszystkie rozszerzają się tak samo i oddziałują na sąsiadów z taką samą siłą, materiał nie powinie się ani rozszerzać ani kurczyć. W wielu zastosowaniach taki model się sprawdza. Wyjaśnia rozpraszanie neutronów i promieniowania rentgenowskiego oraz wiele innych zjawisk optycznych, wyjaśnia prędkość fal dźwiękowych, elastyczność i przewodnictwo cieplne, nawet temperaturę graniczną w niektórych nadprzewodnikach - mówi Hancock. Nie wyjaśnia jednak, dlaczego materiały zmieniają objętość pod wpływem temperatury.

 

To mnie zastanawia.

[Gość Astro]

 

 

To mnie zastanawia.

 

Thikim, generalnie ciała stałe zbudowane są z atomów. Te ostatnie co prawda nie muszą być połączone za pomocą "wiązań sieci krystalicznej", ale jakoś gnojki się jednak wiążą.

Może faktycznie dziwi Cię to, co mnie:

 

 

Jako, że każde z tych wiązań, gdy się rozszerza, oddziałuje na wiązania sąsiednie

, bo dalej to faktycznie jakieś "wyznanie wiary":

 

 

a wszystkie rozszerzają się tak samo i oddziałują na sąsiadów z taką samą siłą

Dalej już nie brnę,

 

 

materiał nie powinie się ani rozszerzać ani kurczyć

bo to jakiś "Toruń".

[Arlic 4]

 [..]

Woda nie ma żadnych z tych właściwości jakie są opisane w tym artykule.

A takie właściwości jak ty opisałeś w swojej wypowiedzi ma wiele pierwiastków, np: krzem, gal, german, antymon, bizmut, pluton.

Edytowane 13 października 2015 przez Arlic

[TrzyGrosze 67]

Woda nie ma żadnych z tych właściwości jakie są opisane w tym artykule.

 

Owszem, ma.

Podgrzewana kurczy się ( w zakresie temperaturowym od 0 do 4 st.C).

Oziębiana rozszerza się ( w zakresie temperaturowym od 4 do 0 st.C).

[Arlic 4]

Owszem, ma.

Podgrzewana kurczy się ( w zakresie temperaturowym od 0 do 4 st.C).

Oziębiana rozszerza się ( w zakresie temperaturowym od 4 do 0 st.C).

Bez zmiany fazy?

[Gość Astro]

 

 

Bez zmiany fazy?

 

Zdecydowanie bez. Inaczej musiałbyś wymienić po drodze jakieś 1749 faz.

[thikim 117]

Tak dziwi mnie właśnie to.

Ja to rozumiem tak jak uczono już od podstawówki. Większa energia ruchu powoduje większe zmiany położenia cząsteczek. Obrazowo zajmują większy obszar przestrzenny.

A tu cały artykuł jakby tak nie było, bo przecież inne cząsteczki im w tym przeszkadzają.

No i faktycznie, muszą występować oba zjawiska. Ale ich kompensacja może zachodzić jednak już w większym obszarze przestrzennym, czyli się rozszerza.

No ale ja naukowcem nie jestem. A ci najwyraźniej tego nie wiedzą.

I to mnie dziwi.

[TrzyGrosze 67]

Bez zmiany fazy?

Bo to jest anomalia w świecie substancji chemicznych:

"Zjawisko to spowodowane jest specyficznym kształtem cząsteczki wody oraz istnieniem silnych wiązań wodorowych. Wiązania te nadają wodzie względnie dużą gęstość, a ponadto pękają w obszarze anomalnym, zwiększając nieuporządkowanie wśród cząsteczek, a co za tym idzie, zwiększając również objętość cieczy."

To nie ja, to Wiki.

[Gość Astro]

Thikim, http://www.physlink.com/education/askexperts/ae478.cfm

Edytowane 13 października 2015 przez Astro

[Arlic 4]

Bo to jest anomalia w świecie substancji chemicznych:

"Zjawisko to spowodowane jest specyficznym kształtem cząsteczki wody oraz istnieniem silnych wiązań wodorowych. Wiązania te nadają wodzie względnie dużą gęstość, a ponadto pękają w obszarze anomalnym, zwiększając nieuporządkowanie wśród cząsteczek, a co za tym idzie, zwiększając również objętość cieczy."

To nie ja, to Wiki.

Nie aż taka duża ta anomalia - jak to przedstawiłem w poście z listą innych substancji o podobnej właściwości.

Z chemicznego punktu widzenia wystarczy by po przejściu w fazę stałą powstała taka struktura krystaliczna która ma gęstość mniejszą niż faza ciekła.

 

Autor tego artykułu próbuje termodynamikę klasyczną użyć do wytłumaczenia zjawisk mikroskopowych, mimo, że termodynamika klasyczna może być tylko i wyłącznie stosowana w odniesieniu układów makroskopowych.

 

Z mikroskopowego punktu widzenia rzeczywiście nie można znaleźć konkretnego wytłumaczenia na zjawisko rozszerzania się materiałów pod wpływem temperatury.

 

ps. Termodynamika klasyczna nie działa w świecie mikroskopowym.

Edytowane 13 października 2015 przez Arlic

[Gość Astro]

 

 

Nie aż taka duża ta anomalia - jak to przedstawiłem w poście z listą innych substancji o podobnej właściwości.

 

Cóż, bez tej anomalii prawdopodobnie na padole zwanym Ziemią nie zaistniałoby ŻYCIE.

Jednak "anomalia", a twierdziłeś

 

 

Woda nie ma żadnych z tych właściwości jakie są opisane w tym artykule.

 

Nie ma co się "wymądrzać"; każdy czasem się myli…

 

 

 

Termodynamika klasyczna nie działa w świecie mikroskopowym.

 

Myślisz, że to twierdzenie pomoże w rozumieniu jak najbardziej makroskopowej anomalnej rozszerzalności temperaturowej wody, gumy, koszulek termokurczliwych itp.?

[TrzyGrosze 67]

Nie aż taka duża ta anomalia - jak to przedstawiłem w poście z listą innych substancji o podobnej właściwości.

 

Nie, nie.

Anomalia wody to niemonotoniczne zwiększanie objętości pod wpływem wzrostu temperatury ( największa gęstość przy 3,98 st.C ( a np przy 0 st.C ma tę samą gęstość jak przy 11 st.C).

[Jajcenty 314]

 

 

Cóż, bez tej anomalii prawdopodobnie na padole zwanym Ziemią nie zaistniałoby ŻYCIE.

Ależ Astro! Istniałoby i nawet lepsze, bo zdolne do przetrwania zamarzania. Hibernację mielibyśmy wbudowaną.

[Arlic 4]

Nie, nie.

Anomalia wody to niemonotoniczne zwiększanie objętości pod wpływem wzrostu temperatury ( największa gęstość przy 3,98 st.C ( a np przy 0 st.C ma tę samą gęstość jak przy 11 st.C).

Bo ulega krystalizacji, zatem zmienia swoją fazę. Taką właściwość ma nie tylko woda co mówię po raz n'ty, np: gal ma taką właściwość.

 

 

 

Nie ma co się "wymądrzać"; każdy czasem się myli…

 

Nikt tu się nie "wymądrza", cytując z artykułu można wywnioskować, że opisane właściwości dotyczą tylko i wyłącznie przy fazie stałej.

Jeżeli mi pokażesz, że przy stałym ciśnieniu, braku domieszek, lód zmniejsza swoją objętość np: od temperatury -120C do -50C to się zgodzę.

Edytowane 14 października 2015 przez Arlic

[Jajcenty 314]

 

 

Bo ulega krystalizacji, zatem zmienia swoją fazę.

Nie. Powyżej zera jest ciekła i jako to ładnie ujął 3grosze, funkcja gęstości względem temperatury nie jest monoteniczna. 

Inna sprawa, że jest w tych temperaturach praktycznie ciekłym kryształem, ale nie wiem czy to się jeszcze liczy jako nowa faza?

[Gość Astro]

Inna sprawa, że jest w tych temperaturach praktycznie ciekłym kryształem

 

Polemizowałbym, bo skoro (https://pl.wikipedia.org/wiki/Ciek%C5%82y_kryszta%C5%82)

nazwa fazy pośredniej [...], którą charakteryzuje zdolność do płynięcia, charakterystyczna dla cieczy i jednocześnie dalekozasięgowe uporządkowanie tworzących ją cząsteczek

to trudno doszukać się w wodzie o temperaturze, dajmy, 2°C dalekozasięgowego uporządkowania.

 

Nikt tu się nie "wymądrza", cytując z artykułu można wywnioskować, że opisane właściwości dotyczą tylko i wyłącznie przy fazie stałej.

 

No dobrze, niech będzie. Koszulki termokurczliwe pozostają.

Przy okazji:

https://en.wikipedia.org/wiki/Negative_thermal_expansion#Materials

https://en.wikipedia.org/wiki/Zirconium_tungstate

 

Edytowane 14 października 2015 przez Astro

[Jajcenty 314]

 

 

Polemizowałbym, bo skoro (https://pl.wikipedia...iekły_kryształ)

Woda dość długo (aż do wrzenia) utrzymuje stałe odległości międycząsteczkowe - w tym nie różni się od substancji krystalicznych.

Czy ściśle spełnia definicję "ciekłego kryształu" ? A istnieje taka definicja?

[Gość Astro]

 

 

utrzymuje stałe odległości międycząsteczkowe - w tym nie różni się od substancji krystalicznych

 

Jakoś przypomina mi się dyskusja o całkowicie wodnych planetach oraz o molach.

 

 

 

Czy ściśle spełnia definicję "ciekłego kryształu" ? A istnieje taka definicja?

 

Owszem, nie istnieje. Istnieje jednak warunek konieczny, który w tym wypadku, jak wskazałem, nie jest spełniony. I to wystarczy.

[Jajcenty 314]

 

 

Owszem, nie istnieje. Istnieje jednak warunek konieczny, który w tym wypadku, jak wskazałem, nie jest spełniony. I to wystarczy

chodzi o to? 

 

 

to trudno doszukać się w wodzie o temperaturze, dajmy, 2°C dalekozasięgowego uporządkowania

 

 

No to przydałoby się uściślenie pojęcia "dalekozasięgowego". W przypadku wody grona mają rozmiar kilkuset cząsteczek. Dla mnie to całkiem daleko

[Gość Astro]

No to przydałoby się uściślenie pojęcia "dalekozasięgowego". W przypadku wody grona mają rozmiar kilkuset cząsteczek.

 

Owszem, dosyć ciężko, ale polecam:

https://pl.wikipedia.org/wiki/Uporządkowanie_dalekiego_zasięgu

"Grona" wody mogą mieć i po kilka tysięcy cząsteczek (bliżej zera pewnie to prawda), ale dalej to ni fu, ni fa. Hasło klucz:

Zwykle przyjmuje się, że uporządkowanie jest dalekozasięgowe, gdy regularne struktury w materiale występują na odległościach nie mniejszych niż 100-200 nanometrów.

[pogo 102]

@, zepsuję Ci koszulki termokurczliwe. Obawiam się, że one kompletnie nie pasują to tego wspomnianego kurczenia się przy podnoszeniu temperatury, bo musiałyby się ponownie rozszerzać gdy się schładzają. A doskonale wiemy, że tak nie jest. Tam chyba zachodzi właśnie jakaś forma zmiany fazowej, która powoduje deformację materiału w taki sposób, że się kurczy, ale po ponownym ostygnięciu już nie wraca do poprzedniego układu i w pewnym momencie też traci możliwości ponownego skurczenia się.

[Gość Astro]

Masz rację, zachodzi, podobnie jak w gumie. Polimeryzacja to jednak przemiana fazowa.

https://www.physicsforums.com/threads/expansion-and-contraction-of-materials.58695/

Nie psuje to jednak

https://en.wikipedia.org/wiki/Zirconium_tungstate