Тепловое расширение

Строение и свойства жидкого металла.

Изменения в строении металлов при нагревании.

Тепловое расширение.

С точки зрения электронной теории металлическое тело состоит из положительных ионов, как бы плавающих электронных жидкости. Притяжение ионов электронной жидкостью, омывающих их, равносильно внешнему давлению, которому бы подверглись ионы. Это условие требует наиболее компактного расположения атомов в кристаллической решетке. При этом наиболее выгодные формы размещения атомов гексагональное или гранецентрированное кубическое расположение в решетке.

Электроны в металле находятся в непрерывном и беспорядочном движении, похожем на тепловое движение. Однако в отличие от теплового движения скорость движения электроном практически не зависит от температуры.

При нагревании происходит расширение металлов, увеличение их объема. Это вызывается колебательным движением атомов около своих положения равновесий. Если бы колебания атомов были бы гармоническими, то положения равновесие атома не изменится и средние размеры тоже останутся без изменений. Однако силы удерживающие атом в состоянии равновесия, характеризуются не линейной, а более сложной функцией расстояния и, кроме того, функцией симметричной. В этом причина теплового расширения металлов.

 

Пусть при равновесном положении двух атомов расстояние между ними определяется величиной Ко, тогда сила взаимодействия между атомами будет отталкивающей, при расстоянии меньшем Rо и притягивающей при расстоянии большем Rо. Однако сила отталкивания, действующая между атомами при их сближении, возникает быстрее, чем сила притяжения. В результате ассиметричного характера сил действующих атом, его расстояние от соседнего взаимодействующего с ним атома будет увеличиваться.

Если атом А принять неподвижным, а положение атома В определяется расстоянием а и в, при этом а равно в. по мере увеличения температуры величины этих расстояний будут изменяться, причем величина смещения вправо (расстояние в) будет возрастать быстрее, чем величина смещения влево (расстояние а). Среднее положение подвижного атома. В будут смещаться по направлению пунктирной линией.

Такова природа теплового расширения.

При тепловом расширении изменяется расстояние между атомами, но не меняется их относительное расположение в кристаллической решетке.

По закону Максвелла, действительному и для твердых тел и для газов, относительное число атомов, имеющих кинетическую энергию , пропорционально выражению

Поэтому даже при низких температурах в металле всегда имеется некоторое количество атомов, у которых вследствие взаимодействия с соседними атомами кинетическая энергия будет сколько угодно велика.

Получив на некоторый момент большую энергию, атом может изменить свое первоначальное положение и занять новое. В момент перехода из одного положения в другое атом потеряет избыточную энергию, достаточную для дальнейшего перехода в другое положение.

Таким образом, реальный кристалл – это своеобразный твердый раствор, в котором вместе с основными компонентами, находящимися в узлах, имеются дислоцированные атомы и дырки (вакансия).

Количество дислоцированных атомов и вакансий будет увеличиваться с повышением температуры и достижения максимума при температуре плавления.