熱脹冷縮

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。

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）稱為熱膨脹係數（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

估計膨脹

若系統的狀態方程已知，則可推導出任意溫度和壓強下熱膨脹的數值，還可計出其他態函數。

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，謂之熱縮冷脹（英語：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，較純的矽在18至120開爾文之間，熱膨脹系數為負。^[1]

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，高鍵能意味着高熔點，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過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

熱膨脹係數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，實際應用中，有兩種主要的熱膨脹係數，分別是：

線性熱膨脹係數（coefficient of linear thermal expansion，簡稱CLTE，線脹係數）

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

和體積熱膨脹係數：

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

其中下標${\displaystyle p}$表示保持壓強不變。線脹係數是指固態物質當溫度改變1 K（°C亦同）時，其長度的變化和原長度的比值。各物體的線脹係數不同，一般金屬的線脹係數約在10^-6 K^-1的量級。

大多數情況之下，此係數為正值。也就是說溫度升高體積擴大。但是也有例外，當水在0到4攝氏度之間，會出現反膨脹。而一些陶瓷材料在溫度升高情況下，幾乎不發生幾何特性變化，其熱膨脹係數接近0。

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

對常見物料如金屬和化合物，熱膨脹系數與熔點${\displaystyle T_{\mathrm {m} }}$大致成反比。^[5]舉例對金屬有

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

而對鹵化物和氧化物則有

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

例子

氣體為理想氣體。

常見固體的線性熱膨脹係數α 物質 10-6/K @ 20 °C 鋁 23.2 純鋁 23.0 銻 10.5 芳綸 -4.1 鈹 12.3 水泥 6 - 14 鉛 29.3 鎘 41.0 鉻 6.2 鑽石 1.3 冰, 0 °C 51.0 鐵 12.2 鍺 6.0 玻璃（窗玻璃） 7.6 玻璃（工業玻璃） 4.5 玻璃（普通） 7.1 玻璃（硼矽酸鹽玻璃（英語：Borosilicate glass）, Duran玻璃（英語：Duran (glass)）, 派熱克斯玻璃） 3.25 玻璃（Quarzglas） 0.5 玻璃陶瓷（Zerodur（英語：Zerodur）） < 0.1 金 14.2 花崗岩 3.0 石墨 2.0 灰鑄鐵 9.0 木頭, Eiche 8.0 不變鋼 1.7-2.0 銥 6.5 食鹽 40.0 碳纖維（HM 35 in Längsrichtung） -0.5 康銅 15.2 Kovar ~ 5 銅 16.5 鎂 26.0 錳 23.0 磚 5.0 黃銅 18.4 鉬 5.2 新銀 18.0 鎳 13.0 鉑 9.0 尼龍 120.0 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA） 85.0 聚氯乙烯（PVC） 80.0 瓷器 3.0 銀 19.5 錫 22.0 鋼 13.0 不鏽鋼 14.4-16.0 鈦 10.8 鉍 14.0 鎢 4.5 鋅 36.0 矽 2.5

常見液體的體積熱膨脹係數γ 物質 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 礦物油（液壓油） 0.70 石蠟 0.76 煤油 0.96 水銀 0.18 松節油 1.00 四氯化碳 1.22 甲苯 1.12 水 0.21

參考文獻

1. Bullis, W. Murray. Chapter 6. O'Mara, William C.; Herring, Robert B.; Hunt, Lee P. (編). Handbook of semiconductor silicon technology. Park Ridge, New Jersey: Noyes Publications. 1990: 431 [2010-07-11]. ISBN 978-0-8155-1237-0. （原始內容存檔於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. （原始內容存檔於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]. （原始內容存檔於2021-06-13）.

外部連結

• Glass Thermal Expansion （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） Thermal expansion measurement, definitions, thermal expansion calculation from the glass composition
• Water thermal expansion calculator （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
• DoITPoMS Teaching and Learning Package on Thermal Expansion and the Bi-material Strip （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
• Engineering Toolbox – List of coefficients of Linear Expansion for some common materials （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
• Article on how α_V is determined （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
• MatWeb: Free database of engineering properties for over 79,000 materials （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
• USA NIST Website – Temperature and Dimensional Measurement workshop （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
• Hyperphysics: Thermal expansion （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
• Understanding Thermal Expansion in Ceramic Glazes （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）