熱膨脹是工程崩壞的嫌犯嗎?誰說物質只能熱脹冷縮!

寒流來襲時房屋表層的瓷磚突然脫落,或是天氣變化時地磚整個翹起來,物體的熱膨脹是每個人的生活中都曾遇過的經驗,乍看之下是多數人所熟悉的「熱脹冷縮」。熱膨脹更是工程中需被加以考量的物理因素,過去也有不少與熱膨脹相關的工程崩塌憾事。其實,物質呈現「熱縮冷脹」的現象十分多變,至今仍不斷被科學家發現、探索,透過瞭解熱膨脹的物理機制及不同膨脹性質材料的合成,或許有一天,人們能夠自由運用不受溫度影響體積的材料,並打造更安全的工程環境,未來亦可能帶領人類前往極端溫度變化的浩瀚宇宙。

撰文|黃鼎鈞

 
圖(1)大橋崩塌示意圖 圖片出處 Wikimedia common

 

生活中常見的熱膨脹現象,造成工程崩壞的重大嫌疑犯?

從房屋瓷磚脫落到跨海大橋倒塌都是實際發生的歷史事件,其背後的原因常與物質的熱膨脹有關,材料隨著溫度改變而產生體積的變化,是每個工程設計中必須考量與克服的重要一環。「熱脹冷縮」幾乎是每個人從小就理解的科學概念,也是普遍出現在生活中的物理現象,但是它不是一個絕對的法則。

通常到中學的時候,會學到人類不可或缺的「水」就不遵守這一個原則,以4°C為臨界點,4°C以上的水遵守熱脹冷縮,4°C以下的水反而變為熱縮冷脹,以至於在4°C時水呈現密度最高的狀態,使得寒冷地區的水底生物依然可以在結冰水面下生存。光是地面上的氣溫變化就能影響許多工程發展,如今,人類躍躍欲試地探索溫度極端變化的宇宙,科學家不僅要留心材料的熱膨脹效應,也需要找尋更多的新材料發展太空科技,以確保太空設備能在極端溫差下正常運作。接著,讓我們一起來瞭解物質膨脹背後的物理機制,看看科學家可以如何「調配」物質的膨脹特性,進一步改善熱膨脹造成的工程損害。

 
物質熱膨脹背後的物理機制

為區別不同膨脹性質的材料,一般定義熱脹冷縮為「正熱膨脹」,熱縮冷脹則為「負熱膨脹」。另一個判斷材料膨脹的指標則是線性熱膨脹係數 α ,它代表的是每上升一個溫度單位,物體長度的改變量相對於原長度的比值(舉例來說,石墨的膨脹係數為 α=2.0x10-6/°C 代表原長度為 1 公尺的石墨,每上升 1°C 其長度將變為1.000002 公尺。)

大部分生活可見的物質呈現正熱膨脹,是因為原子的平均動能會隨著溫度上升而變大,使得原子間彼此距離加大,物質的體積因而變大。物質的膨脹係數則因其鍵結的方式而變化,若彼此的鍵結強度越強,則越不容易受溫度變化的影響。

其實,生活中人群對溫度的反應就像正熱膨脹,若將人當作原子,人群當作組成物質,當天氣炎熱造成體溫升高時,彼此就想拉開距離,人群佔據的面積就會擴大,但若這群人感情非常要好,就像是原子間有較強的鍵結力,雖然感到炎熱,仍想盡量維持距離方便交談,若要拆散這群人或許就需要更炎熱的天氣。

圖(2)當溫度越高時,一般人會感到越焦躁,會想與周圍的人拉開距離。若將人對應到原子,溫度越高時,原子具備有更高的動能,也會與周圍的原子拉開距離,使得物質體積變大。

 

在負熱膨脹的物質背後的物理機制則較為複雜,常用「振動模式」[1]與「非振動模式」[2]兩種機制來作分類。振動模式仍是基於上述「溫度升高使原子平均動能增加」的原理,因為原子間彼此鍵結的強度較高,以至於原子間的彼此距離不容易被改變,造成原子在與周圍原子保持相同距離的情形下產生震動,使得整體的體積因溫度升高而變小。我們再次將人比喻成原子,兩人的感情好壞當作鍵結的強弱,在圖(3)中的兩個人,因為感情好而牽手,有非常強的鍵結力,當溫度提高時,他們只選擇揮動自己的手來散熱,當兩人的手上下擺動時,使得兩人的身體反而更加靠近了。這就是「振動模式」所帶出的熱縮冷脹效應。

圖(3) 左邊是感情非常好的兩個人,彷彿鍵結很強的兩個原子。當溫度上升時,他們不願意放開彼此的雙手,而是擺動彼此的雙手,以至於兩人在擺動的過程中距離變得更靠近。

 

有了以上的概念,我們可以進一步從原子的振動模式來瞭解熱縮冷脹。從圖(4)到圖(6)分別表示振動模式中,三種造成負熱膨脹的機制:M-O-M、M-O及多面體擺動。圖中的M代表金屬原子、O代表氧原子、d則為距離。下方圖(4)中M-O-M的氧原子因溫度上升動能增加,但又因為與金屬之間的鍵結強度高,使得金屬與氧原子的距離保持不變,氧原子則在中間產生震動,造成上面的金屬與下面的金屬距離縮短,從 d1 縮短為 d2 使得整個物質因溫度升高而體積變小。

圖(4) M為金屬原子、O為氧原子、d為距離。當溫度升高時,因M與O之間的共價鍵具有高強度,其距離不易受高溫影響,但氧原子卻獲得較高的動能產生震動,因而造成M與M的距離相對縮短 d2小於d1 使得物質呈現「熱縮冷脹」的現象。

 

下方圖(5)的原理與圖(4)相仿,但僅考慮一個金屬與氧原子,氧原子因為溫度升高具有較高的動能,卻因為金屬與氧原子的距離不變,使得氧原子在沿著垂直方向上下振動,宏觀底下物質則以 d4 作為表現而不是 d3 ,使得物質體積因溫度升高而縮小。

圖(5)M為金屬原子、O為氧原子、d為距離。此狀況與圖(4)不同,僅有一個M與O。當溫度上升,O原子產生較大的震動時,雖然d3長度不變,但宏觀底下該物質以d4的距離來表現,其 d4 小於 d3 因而造成物質「熱縮冷脹」。

 

最後一種振動模式則是以多面體的方式來說明,見下方圖(6),這一部分我們可以試著想像,不是以單一個原子來面相來看,而是一群又一群的原子尺度,這蓋面念就好比中學時的朝會,同一個班級的人會站在同一個區塊,以班級為單位來觀察朝會全校隊伍的變化。其中,單一面體中的鍵結具有高強度,但是面體間的鍵結則相對較弱,就像同一班級的人彼此連結較強,不同班級之間的連結則較弱。當溫度升高時,同一個班級的人距離保持不變,不同班級之間卻產生了旋轉,面體的旋轉使得整體體積縮小。

圖(6)多面體震動其基本概念與M-O-M 及M-O模式雷同,改以面體的角度來理解,當溫度升高,物質內部面體間產生震動,但原子與原子間的距離不變,使得面體的中心原子距離相對縮短,d6 小於 d5 造成物體有「熱縮冷脹」的現象。

 

除此之外,非震動模式所致的負熱膨脹機制則更為複雜,所考量的不只是溫度造成的動能改變,是特定物質因溫度升高,反而造成原子間的鍵結力提升,並且比原子平均動能的改變更顯著,使其呈現了負熱膨脹的現象。或許對於喜歡海邊活動的人們便是這樣,天氣更加炎熱,衝浪的好夥伴更想結群的到海邊嬉戲,反而使得這群衝浪好友關係更緊密。這部分的成因則較為複雜,需要針對不同的材料作特定的探究,才能瞭解背後的物理機制,未來說不定也會在 CASE 報科學中與大家分享!

 相信透過瞭解物質膨脹背後的物理機制,人們可以發掘更多材料應用的可能性。透過不同材料的摻雜,將正、負膨脹的材料混合,合成出不受環境溫度影響的材料,以打造一個更安全的生活環境,並帶領人類邁向極端溫度的宇宙探索之旅。

 

 

參考資料:

[1]Chem. Mater. 1995, 7, 412—417

[2]Journal of Magnetism and Magnetic Materials Volumes 15–18, Part 2, January–March 1980, Pages 982-984

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