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热胀冷缩

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道路桥梁伸缩缝用来避免由于热胀冷缩损坏。

热胀冷缩是指物体受时会膨胀,遇时会收缩的特性,其形状体积密度可能因此改变。由于物体内的粒子的平均动能温度递增函数,当温度上升时,粒子的振动幅度加大,令物体膨胀;但当温度下降时,粒子的振动幅度便会减少,使物体收缩。

热胀冷缩是一般物体的特性,但是也有反例:4度以下的青铜等物质,在某些温度范围内受热时收缩,遇冷时会膨胀,恰与一般物体特性相反。因此,水结时,冰是先在水面出现。由于铁轨有热胀冷缩的特性,因此铁轨连结时须保持一定距离,避免轨道间互相挤压导致变形。

每上升单位温度的相对膨胀率(膨胀幅度与原大小之比)称为热膨胀系数(英语:coefficient of thermal expansion,简称CTE),数值越大代表热膨胀效应越显著。此系数亦会随温度改变。

概述

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估计膨胀

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若系统的状态方程已知,则可推导出任意温度和压强下热膨胀的数值,还可计出其他态函数

热缩冷胀(负热膨胀)

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若干材料在特定温度范围内,加热反而收缩,谓之热缩冷胀英语negative thermal expansion、热收缩、负热膨胀。举例,水的热膨胀系数,在3.983 °C已跌至零,再降温则系数变为负。换言之,水在该温度时,密度取得最大值,倾向下沉。其效果是,即使在长时间零下的季节中,水体较深处仍能保持此温度。同样,较纯的在18至120开尔文之间,热膨胀系数为负。[1]

膨胀的因素

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不同于气体或液体,固体倾向在热膨胀期间保持自身形状。

较强时,热膨胀的效果较弱。同时,高键能意味着高熔点,所以高熔点的物料一般膨胀得较不明显。作为一般规律,液体略比固体膨胀得多,而玻璃又略比晶体膨张得多。[2]于玻璃相变温度,无定形物料出现重组,使热膨胀系数和比热出现独有的间断点。此种间断点使学者得以量度过冷液体变为玻璃的相变温度。[3]液体转变成玻璃时,若从外界加热,深入液体内部的温度或反而下降,即有一种“加热反而降温”的现象。[4]

吸附脱附水(或其他溶剂)亦可改变一些常见物体的体积。对许多有机物料而言,此效应远大于热膨胀。常见塑胶若暴露于水,长远可膨胀多个百分点。

对密度的影响

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热膨胀改变物质粒子间的空间大小,所以会改变其体积,而对质量的影响则可以忽略(若考虑质能等价则不必为零)。如此,物质的密度亦会改变,影响所受浮力。不均匀受热液体中,前述因素是对流的重要成因,所以说热膨胀是洋流的成因之一。

热膨胀系数

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热膨胀系数是温度每升高一个单位时,物体较原先膨胀的比率。由于物体的大小可以用一个方向的尺寸(长度)或体积衡量,实际应用中,有两种主要的热膨胀系数,分别是:

线性热膨胀系数(coefficient of linear thermal expansion,简称CLTE,线胀系数)

和体积热膨胀系数:

其中下标表示保持压强不变。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的量级。

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。

各向同性物料,线膨胀系数与体膨胀系数的关系为

对常见物料如金属和化合物,热膨胀系数与熔点大致成反比[5]举例对金属有

而对卤化物氧化物则有

例子

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气体为理想气体

常见固体的线性热膨胀系数α
物质 10-6/K @ 20 °C
23.2
纯铝 23.0
10.5
芳纶 -4.1
12.3
水泥 6 - 14
29.3
41.0
6.2
钻石 1.3
, 0 °C 51.0
12.2
6.0
玻璃(窗玻璃) 7.6
玻璃(工业玻璃) 4.5
玻璃(普通) 7.1
玻璃(硼硅酸盐玻璃英语Borosilicate glass, Duran玻璃英语Duran (glass), 派热克斯玻璃 3.25
玻璃(Quarzglas 0.5
玻璃陶瓷Zerodur英语Zerodur < 0.1
14.2
花岗岩 3.0
石墨 2.0
灰铸铁 9.0
木头, Eiche 8.0
不变钢 1.7-2.0
6.5
食盐 40.0
碳纤维(HM 35 in Längsrichtung) -0.5
康铜 15.2
Kovar ~ 5
16.5
26.0
23.0
5.0
黄铜 18.4
5.2
新银 18.0
13.0
9.0
尼龙 120.0
聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 85.0
聚氯乙烯(PVC) 80.0
瓷器 3.0
19.5
22.0
13.0
不锈钢 14.4-16.0
10.8
14.0
4.5
36.0
2.5
 
常见液体的体积热膨胀系数γ
物质 10-3/K @ 20 °C
酒精乙醇 1.10
丙酮 1.43
汽油 1.06
1.23
氯仿三氯甲烷 1.28
果酸 1.07
乙醚 1.62
乙酸乙酯 1.38
甘油(丙三醇) 0.49
甲醇 1.10
矿物油液压油 0.70
石蜡 0.76
煤油 0.96
水银 0.18
松节油 1.00
四氯化碳 1.22
甲苯 1.12
0.21

参考文献

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  1. ^ Bullis, W. Murray. Chapter 6. O'Mara, William C.; Herring, Robert B.; Hunt, Lee P. (编). Handbook of semiconductor silicon technology. Park Ridge, New Jersey: Noyes Publications. 1990: 431 [2010-07-11]. ISBN 978-0-8155-1237-0. (原始内容存档于2020-07-29). 
  2. ^ Varshneya, A. K. Fundamentals of inorganic glasses. Sheffield: Society of Glass Technology. 2006. ISBN 978-0-12-714970-7. 
  3. ^ Ojovan, M. I. Configurons: thermodynamic parameters and symmetry changes at glass transition. Entropy. 2008, 10 (3): 334–364. Bibcode:2008Entrp..10..334O. doi:10.3390/e10030334可免费查阅. 
  4. ^ Papini, Jon J.; Dyre, Jeppe C.; Christensen, Tage. Cooling by Heating---Demonstrating the Significance of the Longitudinal Specific Heat. Physical Review X. 2012-11-29, 2 (4): 041015 [2022-01-01]. Bibcode:2012PhRvX...2d1015P. S2CID 53414775. arXiv:1206.6007可免费查阅. doi:10.1103/PhysRevX.2.041015. (原始内容存档于2021-10-20). 
  5. ^ Sheer and Thermal Expansion Tensors - Part 1 | Video Lectures | Symmetry, Structure, and Tensor Properties of Materials | Materials Science and Engineering | MIT OpenCourseWare. ocw.mit.edu. [2022-01-01]. (原始内容存档于2021-06-13). 

外部链接

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