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热胀冷缩

Wikipedia · 2025-07-04 维基百科 👁 1 阅读

用來避免由於熱脹冷縮損壞。]]

熱脹冷縮是指物體受熱時會膨脹，遇冷時會收縮的特性，其形狀、體積、密度可能因此改變。由於物體內的粒子的平均動能是溫度的遞增函數，當溫度上升時，粒子的振動幅度加大，令物體膨脹；但當溫度下降時，粒子的振動幅度便會減少，使物體收縮。

熱脹冷縮是一般物體的特性，但是也有反例：4度以下的水、銻、鉍、鎵和青銅等物質，在某些溫度範圍內受熱時收縮，遇冷時會膨脹，恰與一般物體特性相反。因此，水結冰時，冰是先在水面出現。由於鐵軌有熱脹冷縮的特性，因此鐵軌連結時須保持一定距離，避免軌道間互相擠壓導致變形。

每上升單位溫度的相對膨脹率（膨脹幅度與原大小之比）稱為热膨胀系数（，簡稱），數值越大代表熱膨脹效應越顯著。此系數亦會隨溫度改變。

概述
估計膨脹
若系統的状态方程已知，則可推導出任意溫度和压强下熱膨脹的數值，還可計出其他态函数。

熱縮冷脹（負熱膨脹）
若干材料在特定溫度範圍內，加熱反而收縮，謂之、熱收縮、負熱膨脹。舉例，水的熱膨脹系數，在3.983 °C已跌至零，再降溫則系數變為負。換言之，水在該溫度時，密度取得最大值，傾向下沉。其效果是，即使在長時間零下的季節中，水體較深處仍能保持此溫度。同樣，較純的矽在18至120开尔文之間，熱膨脹系數為負。

膨脹的因素
不同於氣體或液體，固體傾向在熱膨脹期間保持自身形狀。

鍵較強時，熱膨脹的效果較弱。同時，高鍵能意味着高熔点，所以高熔點的物料一般膨脹得較不明顯。作為一般規律，液體略比固體膨脹得多，而玻璃又略比晶體膨張得多。於玻璃相變溫度，無定形物料出現重組，使熱膨脹系數和比熱出現獨有的間斷點。此種間斷點使學者得以量度过冷液體變為玻璃的相變溫度。液體轉變成玻璃時，若從外界加熱，深入液體內部的溫度或反而下降，即有一種「加熱反而降溫」的現象。

吸附或脫附水（或其他溶劑）亦可改變一些常見物體的體積。對許多有機物料而言，此效應遠大於熱膨脹。常見塑膠若暴露於水，長遠可膨脹多個百分點。

對密度的影響
熱膨脹改變物質粒子間的空間大小，所以會改變其體積，而對質量的影響則可以忽略（若考慮質能等價則不必為零）。如此，物質的密度亦會改變，影響所受浮力。不均勻受熱液體中，前述因素是對流的重要成因，所以說熱膨脹是風和洋流的成因之一。

熱膨脹系數
热膨胀系数是溫度每升高一個單位時，物體較原先膨脹的比率。由於物體的大小可以用一個方向的尺寸（長度）或體積衡量，实际应用中，有两种主要的热膨胀系数，分別是：

线性热膨胀系数（，簡稱，线胀系数）

:
\alpha = \frac{1}{L} \cdot \frac{\mathrm d L}{ \mathrm d T} \approx \frac{1}{L} \cdot \frac{\Delta L}{ \Delta T},

和体积热膨胀系数：

:
\gamma=\frac{1}{V_0}\left(\frac{\partial V}{\partial T} \right)_p,

其中下標p表示保持壓強不變。线胀系数是指固态物质当温度改变1 K（°C亦同）时，其长度的变化和原长度的比值。各物体的线胀系数不同，一般金属的线胀系数约在10−6 K−1的量級。

大多数情况之下，此系数为正值。也就是说温度升高体积扩大。但是也有例外，当水在0到4摄氏度之间，会出现反膨胀。而一些陶瓷材料在温度升高情况下，几乎不发生几何特性变化，其热膨胀系数接近0。

對各向同性物料，線膨脹系數\alpha與體膨脹系數\gamma的關係為\gamma = 3\alpha。

對常見物料如金屬和化合物，熱膨脹系數與熔點T_\mathrm m大致成反比。舉例對金屬有
:
\alpha \approx \frac{0.020}{T_\mathrm m},

而對卤化物和氧化物則有
:
\alpha \approx \frac{0.038}{T_\mathrm m} - 7.0 \cdot 10^{-6} \, \mathrm{K}^{-1}.

例子
气体为理想气体。

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參考文獻
外部連結

#热力学 #传热 #物理性质 #建筑缺陷

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