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。
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 。
若干材料在特定溫度範圍內,加熱反而收縮,謂之熱縮冷脹 、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。[ 1]
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。[ 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 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。
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。
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)
α
=
1
L
⋅
d
L
d
T
≈
1
L
⋅
Δ
L
Δ
T
,
{\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:
γ
=
1
V
0
(
∂
V
∂
T
)
p
,
{\displaystyle \gamma ={\frac {1}{V_{0}}}\left({\frac {\partial V}{\partial T}}\right)_{p},}
其中下標
p
{\displaystyle 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
α
{\displaystyle \alpha }
與體膨脹系數
γ
{\displaystyle \gamma }
的關係為
γ
=
3
α
{\displaystyle \gamma =3\alpha }
。
對常見物料如金屬和化合物,熱膨脹系數與熔點
T
m
{\displaystyle T_{\mathrm {m} }}
大致成反比 。[ 5] 舉例對金屬有
α
≈
0.020
T
m
,
{\displaystyle \alpha \approx {\frac {0.020}{T_{\mathrm {m} }}},}
而對卤化物 和氧化物 則有
α
≈
0.038
T
m
−
7.0
⋅
10
−
6
K
−
1
.
{\displaystyle \alpha \approx {\frac {0.038}{T_{\mathrm {m} }}}-7.0\cdot 10^{-6}\,\mathrm {K} ^{-1}.}
气体为理想气体 。
更多信息 常見固体的线性热膨胀系数α, 物质 ...
常見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(硼矽酸鹽玻璃 , Duran玻璃 , 派热克斯玻璃 )
3.25
玻璃(Quarzglas )
0.5
玻璃陶瓷 (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
矽
2.5
关闭
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).
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