再“热”也不能膨胀

2021年09月09日
你是否会好奇,冬季里被冰封的湖泊下面是如何维持水流的温度平衡的呢?其实,这是水的负热膨胀在起作用。
当气温降低到0-4℃时,大家熟知的水会表现负热膨胀现象。在此温度范围内,单位质量的水体积会随着温度降低反常增加,密度降低,此时温度较低的水就会逐渐上浮,温度较高的水则会下沉,这样就实现了水流的温度平衡。事实上,这种“非常规”的负热膨胀现象还有很多,而且在日常生活中发挥着举足轻重的作用。
点点滴滴的负热膨胀
热胀冷缩是大家熟知的自然现象。然而,有时候热膨胀也会给我们的生活带来很大困扰。就拿大家经常用来度量长度的钢尺来说,在环境温度升高时,尺子的热胀冷缩往往使得测量值与真实值存在较大的误差。虽然看似是很小的变化,但对一些精密的发动机齿轮箱和密封环就有着至关重要的影响。如何才能保证测量值的精确性呢?这时,我们就需要找来一种相反的“热缩冷胀”的负热膨胀来帮忙。
在不同温度下标准尺子的尺寸(以室温为基准)
科学家发现利用负热膨胀作为补偿剂可以与常规正热膨胀复合,通过正、负热膨胀材料在不同成分下混合,可以制备出实现具有特定热膨胀行为的复合材料。这被广泛应用在一些精密仪器中。
比如智能手机等电子产品,它们的集成电路是以硅为主要材料的器件,在基底材料的选取上最重要的就是考虑选用与硅热膨胀相匹配的金属材料,否则在使用过程中,温度过热会导致集成电路和基底脱落,电子产品随之失效;这些材料需要在温度多变的环境里能够维持原本的尺寸大小,不发生热膨胀,这就是理想的零热膨胀。而负热膨胀就是实现这些材料热膨胀的精准控制的前提,可以说,精密加工和控制工程离不开负热膨胀。
热膨胀和热收缩原理示意图
负热膨胀如何产生
那这种“非常规”的负热膨胀材料究竟是如何产生的呢?其实,这主要是源于材料内部原子之间的相互作用力。
一般来说,材料在受热过程中,原子间的相互振动加剧,原子逐渐向远离原本的平衡位置移动,从而使得体积逐渐增加,这就是“热胀冷缩”的来源。
产生负热膨胀的主因有两种。
第一种是在一些磁性合金和电性陶瓷中,构成材料的结构基元的原子核外电子构型随着温度升高发生转变,从而产生原子间化学键的转变,造成体积收缩;
第二种是由于结构基元的原子之间较强的相互作用,改变了原子间原本相对自由的相互振动模式,也就是结构基元间会发生有规律的耦合扭转,使得原本受热相互远离的结构基元反而逐渐靠拢,从而出现负热膨胀。
未来可期的负热膨胀
目前,负热膨胀已经广泛应用在我们的生活中,现在我们尝试用来治疗龋齿的牙床材料和骨骼重生的人造骨骼都需要与人体本身的骨骼相匹配热膨胀系数的材料,这有助于人造牙齿和骨骼在经受温度变化时,依然能够维持正常功能,不至于失效脱落。因此,开发对人体更加友好的负热膨胀材料也是目前研究的方向之一。
来源:知识就是力量公众号