热胀冷缩

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。

概述

估計膨脹

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）

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，較純的矽在18至120开尔文之間，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。

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

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）

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

和体积热膨胀系数：

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

其中下標${\displaystyle p}$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${\displaystyle \alpha }$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

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

而對卤化物和氧化物則有

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

例子

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 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（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 矽 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 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

參考文獻

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

• 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）