热胀冷缩

(重定向自熱脹冷縮

熱脹冷縮是指物體受時會膨脹,遇時會收縮的特性,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溫度遞增函數,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。

道路橋樑伸縮縫用來避免由於熱脹冷縮損壞。

熱脹冷縮是一般物體的特性,但是也有反例:4度以下的青銅等物質,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(英語:coefficient of thermal expansion,簡稱CTE),數值越大代表熱膨脹效應越顯著。此系數亦會隨溫度改變。

概述编辑

估計膨脹编辑

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)编辑

若干材料在特定溫度範圍內,加熱反而收縮,謂之熱縮冷脹英语negative thermal expansion、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,較純的在18至120开尔文之間,熱膨脹系數為負。[1]

膨脹的因素编辑

不同於氣體或液體,固體傾向在熱膨脹期間保持自身形狀。

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。[2]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。[3]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。[4]

吸附脫附水(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。

對密度的影響编辑

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,所以說熱膨脹是洋流的成因之一。

熱膨脹系數编辑

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(coefficient of linear thermal expansion,簡稱CLTE,线胀系数)

 

和体积热膨胀系数:

 

其中下標 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,線膨脹系數 與體膨脹系數 的關係為 

對常見物料如金屬和化合物,熱膨脹系數與熔點 大致成反比[5]舉例對金屬有

 

而對卤化物氧化物則有

 

例子编辑

气体为理想气体

常見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(硼矽酸鹽玻璃英语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
 
常見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
礦物油液壓油 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

參考文獻编辑

  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 . 
  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 . 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). 

外部連結编辑