热胀冷缩

热胀冷缩是指物体受热时会膨胀，遇冷时会收缩的特性，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是温度的递增函数，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。

道路桥梁伸缩缝用来避免由于热胀冷缩损坏。

热胀冷缩是一般物体的特性，但是也有反例：4度以下的水、锑、铋、镓和青铜等物质，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，水结冰时，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

估计膨胀

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）

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，较纯的硅在18至120开尔文之间，热膨胀系数为负。^[1]

膨胀的因素

不同于气体或液体，固体倾向在热膨胀期间保持自身形状。

键较强时，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]

吸附或脱附水（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

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，所以说热膨胀是风和洋流的成因之一。

热膨胀系数

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）

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

和体积热膨胀系数：

${\displaystyle \gamma ={\frac {1}{V_{0}}}\left({\frac {\partial V}{\partial T}}\right)_{p},}$

其中下标${\displaystyle p}$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。

对各向同性物料，线膨胀系数${\displaystyle \alpha }$与体膨胀系数${\displaystyle \gamma }$的关系为${\displaystyle \gamma =3\alpha }$。

对常见物料如金属和化合物，热膨胀系数与熔点${\displaystyle T_{\mathrm {m} }}$大致成反比。^[5]举例对金属有

${\displaystyle \alpha \approx {\frac {0.020}{T_{\mathrm {m} }}},}$

而对卤化物和氧化物则有

${\displaystyle \alpha \approx {\frac {0.038}{T_{\mathrm {m} }}}-7.0\cdot 10^{-6}\,\mathrm {K} ^{-1}.}$

例子

气体为理想气体。

常见固体的线性热膨胀系数α 物质 10-6/K @ 20 °C 铝 23.2 纯铝 23.0 锑 10.5 芳纶 -4.1 铍 12.3 水泥 6 - 14 铅 29.3 镉 41.0 铬 6.2 钻石 1.3 冰, 0 °C 51.0 铁 12.2 锗 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 金 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 铱 6.5 食盐 40.0 碳纤维（HM 35 in Längsrichtung） -0.5 康铜 15.2 Kovar ~ 5 铜 16.5 镁 26.0 锰 23.0 砖 5.0 黄铜 18.4 钼 5.2 新银 18.0 镍 13.0 铂 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 银 19.5 锡 22.0 钢 13.0 不锈钢 14.4-16.0 钛 10.8 铋 14.0 钨 4.5 锌 36.0 硅 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 苯 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 水 0.21

参考文献

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）.

外部链接

• Glass Thermal Expansion （页面存档备份，存于互联网档案馆） Thermal expansion measurement, definitions, thermal expansion calculation from the glass composition
• Water thermal expansion calculator （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• DoITPoMS Teaching and Learning Package on Thermal Expansion and the Bi-material Strip （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• Engineering Toolbox – List of coefficients of Linear Expansion for some common materials （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• Article on how α_V is determined （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• MatWeb: Free database of engineering properties for over 79,000 materials （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• USA NIST Website – Temperature and Dimensional Measurement workshop （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• Hyperphysics: Thermal expansion （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• Understanding Thermal Expansion in Ceramic Glazes （页面存档备份，存于互联网档案馆）