Prečo niektoré kovy „ignorujú“ tepelnú rozťažnosť? 150 rokov stará záhada má konečne riešenie
Takzvané invary sú typy kovov, na ktoré tepelná rozťažnosť nemá žiaden vplyv. Ako je to možné?
Či už hovoríme o plyne, kvapaline alebo pevnej látke, takmer každý materiál sa rozpína, keď sa jeho teplota zvýši a sťahuje, keď teplota klesá. Táto vlastnosť umožňuje teplovzdušnému balónu lietať a konštruktéri si ju držia v pamäti pri stavbe železníc, mostov a budov. Vďaka tomu môžu materiály expandovať a neprasknú počas horúceho letného dňa.
Tepelná rozťažnosť existuje preto, lebo pri vyšších teplotách atómy materiálu vibrujú o niečo viac. Čím viac atómy vibrujú, tým viac odtláčajú svojich susedov. Zároveň platí, že čím je priestor medzi atómami väčší, tým viac klesá hustota materiálu a zväčšuje sa jeho veľkosť. Drvivá väčšina materiálov nasleduje tento princíp, no existuje niekoľko výnimiek. Ide o kovové zliatiny, ktoré sa označujú ako invary (pozn. redakcie: z angl. invariable). Tieto materiály nemenia svoju hustotu ani rozmery naprieč pomerne širokou škálou teplôt.
„Nájsť kov ktorý by pri vyšších teplotách neexpandoval je takmer neslýchané. V roku 1895 však jeden fyzik náhodou dokázal, že spojením železa a niklu v určitom pomere získame materiál, ktorý má mimoriadne zvláštne správanie,“ vysvetľuje vedúci novej štúdie, Stefan Lohaus.
Zvláštne správanie týchto materiálov z nich robí ideálnych kandidátov v prípadoch, kde sa vyžaduje extrémna presnosť. Nájdeme ich preto v hodinkách, teleskopoch a ďalších presných prístrojoch. Hoci o zvláštnych vlastnostiach Invarov vieme už nejaký ten piatok, doteraz nikto ani len netušil, prečo sa tieto materiály správajú tak, ako sa správajú.
Tajomstvo invarov
Viac ako 150 rokov sa už vie, že tepelná rozťažnosť sa spája s entropiou, základným konceptom termodynamiky. Entropia je meranie neusporiadanosti sústavy, napríklad pozícii atómov. S vyššou teplotou sa zvyšuje aj entropia sústavy. Autori štúdie teda začali svoju prácu s tým, že za zvláštnymi vlastnosťami invarov môže stáť proces, ktorý pracuje proti expanzii.
Toto správanie môže mať väzby na magnetizmus, pretože len feromagnetické kovy, teda kovy ktoré možno magnetizovať, sa môžu správať ako invary. Autori štúdie teda merali aktivitu elektrónov, ktoré sú zodpovedné za magnetické vlastnosti materiálu. Zistili, že tepelnú rozťažnosť delikátnym spôsobom ruší vibrácia atómov a magnetizmus. Obe charakteristiky sa menia teplotou a tlakom, no spôsobom ktorý im umožňuje zachovať si rovnováhu.
Neprehliadnite
Autori štúdie dokázali, že táto rovnováha vzniká interakciami medzi vibráciami a magnetizmom. Počas meraní postrehli, že s rastúcou teplotou invaru sa spin elektrónov prehadzoval. Znamená to, že elektróny sa priblížili bližšie k susedným elektrónom. Za bežných okolností by to znamenalo kontrakciu materiálu, no tu prichádza druhý proces. Vedci si zároveň všimli, že atómy invaru vibrovali viac a tým pádom zaberali viac miesta.
Kontrakcia materiálu tvorená zmenou spinu elektrónov a rýchlejšia vibrácia atómov sa navzájom vyrovnali a invar teda ostal bez zmeny.
Komentáre