热胀冷缩
热力学 |
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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。
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、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,较纯的矽在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)
和体积热膨胀系数:
其中下标表示保持压强不变。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,线膨胀系数与体膨胀系数的关系为。
对常见物料如金属和化合物,热膨胀系数与熔点大致成反比。[5]举例对金属有
例子
气体为理想气体。
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参考文献
- ^ 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).
- ^ Varshneya, A. K. Fundamentals of inorganic glasses. Sheffield: Society of Glass Technology. 2006. ISBN 978-0-12-714970-7.
- ^ 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
.
- ^ 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).
- ^ 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 αV 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)
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