Почему тела расширяются при нагреве?

Помните о том, что зазоры между рельсами делают для компенсации их термического расширения при перепадах температур на улице? Решение простое, но рабочее, ведь удлинение рельса длиной 25 м в диапазоне климатических температур средней полосы достигает примерно 1,8 см. И чем он длиннее, тем больше удлиняется. Правда в современных железных дорогах эти зазоры стали убирать, а расширение компенсировать другими технологиями. Об этом я писал здесь.

Сегодня спустимся на атомный уровень и рассмотрим вопрос расширения материалов в микроскопических масштабах. Я давно представлял себе механизм в голове, видел рисунки в книжках и на доске у преподавателя, а сейчас сделал, наконец, свои собственные анимации, так как в интернете мне ничего не нравится.

Все мы уже знаем, что в твердых телах есть кристаллическая решетка и ионы или молекулы (в зависимости от типа материала) сидят в своих фиксированных положениях и могут только колебаться вокруг них. С увеличением температуры эти колебания становятся интенсивнее, растут их частота и амплитуда, и рядом стоящие атомы начинают взаимодействовать друг с другом. Рассмотрим это взаимодействие подробнее.

Микроскопическая природа устроена так, что даже между незаряженными частицами (атомами или молекулами) возникает взаимодействие, которое по своей сути не симметрично. На малых расстояниях преобладает отталкивание, а на больших – притяжение, причем с увеличением энергии отталкивание растет быстрее, чем притяжение. Первая анимация, по сути, оживление объяснения термического расширения в учебнике по физике Перышкина за 8 класс, которое мне понравилось. Для простоты зафиксируем один атом, а второй будет колебаться рядом с ним на определенном расстоянии. Если при малых температурах колебания выглядят как обычно, то при нагреве их амплитуда растет, а колеблющийся атом, отталкиваясь от стоящего на месте сильнее, чем притягивается, отлетает на большее расстояние от положения равновесия, чем то расстояние, на которое он приблизился к неподвижному атому. Таким образом, возникает несимметричное колебание относительно положения, которое атом занимал при низкой температуре. А из-за того, что несимметричные колебания атомов энергетически невыгодны, возникает новое положение равновесия, немного сдвинутое относительно предыдущего, и расстояние между центрами колебаний атомов возрастает, а значит, тело увеличивается в размерах.

Еще одним более «вузовским» объяснением является рассказ об асимметрии потенциала взаимодействия и его потенциальной яме (анимация №2). Природу межатомного взаимодействия, описанную выше, можно изобразить в виде графика зависимости потенциальной энергии взаимодействия от расстояния между атомами. Видно, что на графике присутствует «яма», соответствующая отсутствию колебаний при температуре абсолютного нуля. Выбраться из этой ямы непросто. При увеличении энергии – поднятии атома вверх, он скатывается обратно в яму и начинает кататься туда-сюда, что и соответствует колебаниям атома при какой-то температуре. Из-за того, что яма несимметричная, и справа более пологий спуск, различаются и расстояния, пройденные атомом в ту и другую сторону. Получается, что центр колебаний атома при повышении температуры перестаёт находиться в точке минимума энергии (как это было при низких температурах) и сдвигается вправо. Расстояние между центрами колебаний, как и было на анимации №1, растёт, а значит, растут размеры тела.

Тема термического расширения не совсем простая, но более простого и наглядного объяснения, чем на приведенных анимациях, я еще не встречал. Пишите, какая из них вам больше всего понравилась. Можете пользоваться, если найдете их информативными.

P.S. Числа, приведенные на графиках, условны и не несут никакой информации, главное – суть.