Co se stane se skleněnou nádobou v mrazu?

To by nemělo nikoho překvapit Při zahřívání se rozměry fyzických těles zvětšují a při ochlazování se zmenšují.. To je běžná pravda, která je uložena v mysli, počínaje prvními hodinami fyziky.

Není ale potřeba zkoušet hledat univerzální řešení. To se nestává vždy. Existují materiály, které mají velmi zvláštní vlastnost. Po vychladnutí zvětší svůj objem a tím prolomit staré stereotypy o vlastnostech všech materiálů.

Nejzajímavější je, že s takovou anomálií se v praxi běžně setkáváme. My však těmto pozorováním nepřikládáme žádný význam.

Připomeňme si o. nejobyčejnější voda. Zmrazení v trubce nebo v jakékoli nádobě může tuto nádobu roztrhat na kousky. Určitě každý z vás alespoň jednou nechal u dače v mrazu vodu ve sklenici v mrazáku nebo nějaké jídlo ve sklenici s tekutinou. S největší pravděpodobností jste někdy viděli prasknout potrubí kvůli zamrznutí a dalším vtipům z přírody

Proč voda praskne nádobu, když zamrzne?

Vysvětlení je zde jednoduché – led má větší objem než zdrojová voda. Když se voda ochladí, vše se řídí standardním vzorem až do určitého kritického bodu.

V tomto okamžiku začne hustota, která se zpočátku rovnoměrně zvyšovala, náhle snižovat. Výsledkem je, že led zabírá více místa, než zabírala samotná „původní“ voda. To se nazývá anomálie teplotní hustoty.

Anomálie hustoty teploty

Pokud výrazně zjednodušíme logiku procesu, konkrétní konstrukce krystalové mřížky materiálu této skupiny (náchylné k anomálii) je taková, že při tuhnutí se vzdálenosti mezi atomy ukážou být větší, než je obvyklé u standardní případy. V důsledku toho se objem během krystalizace zvětšuje.

Zde můžeme nakreslit zajímavou analogii s krabičkou od sirek. Zatímco jsou sirky v krabičce, zabírají velmi málo místa. Jakmile vyskládáme figurku ze sirek, její plocha se ukáže být větší než velikost krabičky. Právě jsme postavili strukturu ze zápasů a zorganizovali ji. Totéž se děje zde. Zatímco atomy jsou ve společném nepořádku, objem nepořádku je menší, než když je nutné vybudovat koherentní strukturu.

Jaké další látky mají tuto anomálii?

Ukazuje se to takových látek je celá skupina. Nízkoteplotní anomálie hustota se nachází v antimonu, vizmutu, galliu, germaniu, lithiu, plutoniu, křemíku, teluru a také v některých slitinách. Nejznámější ze slitin s anomálií je Woodova slitina.

Existence takových látek – celý odrazový můstek pro navrhování mnoha produktů. V celém textu jsme použili formulaci „anomálie nízké teploty“. Ale také existuje „vysokoteplotní hustota anomálie“. To je opačný jev. Materiál při zahřívání zmenšuje svůj objem. Důvod je stejný a spočívá ve specifické konstrukci krystalové mřížky, která se tím vytvoří.

Jak můžete použít teplotní hustotu anomálie?

Inženýři aktivně využívají anomálie hustoty a kombinují „klasické látky“ s látkami, které při ochlazení zvětšují svůj objem. Kombinujte takové látky ne nutně mechanicky. Materiáloví vědci často vyrábějí kompozitní materiály nebo jiné typy vícefázových materiálů, kde přítomnost pouze jedné fáze s anomálií ve struktuře umožňuje neutralizovat negativní účinky tepelné roztažnosti.

Nejzajímavějším příkladem je sklokeramická varná deska. Vyrobte panel o stejných rozměrech z materiálu sestávajícího pouze ze skleněné fáze (nebo ze samotného obyčejného skla). Teplotní spád bude značný a jsou zaručeny tepelné trhliny v důsledku nerovnoměrné roztažnosti povrchu. Ale varná deska funguje a neláme se.

Ve struktuře sklokeramiky varné desky je fáze, která neutralizuje obecnou expanzi v důsledku její teplotní anomálie. V důsledku toho nevznikají uvnitř materiálu žádné mechanické pnutí. Spolu s obecným rozšířením jedné části dochází ke zúžení druhé části..

Kromě varné desky mají materiály používané k výrobě mnoha nástrojů také nulovou tepelnou roztažnost. Je velmi výhodné, že průměr vrtáku při vysoce přesné výrobě je vždy stejný. S lineárním roztahováním nebo smršťováním lze samozřejmě počítat a začlenit je do technologického procesu. Mnohem správnější ale je, že velikost samotného nástroje zůstává vždy stejná a toho lze dosáhnout použitím materiálu s nulovým teplotním koeficientem.

No, tradičně, pokud se chcete dozvědět více o fyzice, materiálech a zajímáte se o technické vědy, pak vás zvu na můj kanál pro exkluzivitu.