| 词条 | 热膨胀 |
| 释义 | § 简介 物体因温度改变而发生的膨胀现象叫“热膨胀”。通常是指外热膨胀 压强不变的情况下，大多数物质在温度升高时，其体积增大，温度降低时体积缩小。在相同条件下，气体膨胀最大，液体膨胀次之，固体膨胀最小。也有少数物质在一定的温度范围内，温度升高时，其体积反而减小。因为物体温度升高时，分子运动的平均动能增大，分子间的距离也增大，物体的体积随之而扩大；温度降低，物体冷却时分子的平均动能变小，使分子间距离缩短，于是物体的体积就要缩小。又由于固体、液体和气体分子运动的平均动能大小不同，因而从热膨胀的宏观现象来看亦有显著的区别。 § 热膨胀表达式 压力保持不变时，由于温度的改变，造成固体、液体和气体发生长度或体积变化的现象。膨胀的程度用膨胀系数表示。 固体的热膨胀 固体的线膨胀系数定义为： 式中l是试件的长度，T是温度,p是压强。对于每种固体，都有一个德拜特征温度,低于此特征温度时,α 随温度强烈变动；高于此特征温度时,α实际上是常数。处在室温的许多普通材料，其温度都接近或高于各自的特征温度，其长度随温度变化的规律,可用近似式l＝lo(l+αt)表示，式中lo为零摄氏度(0°C)时的长度，t是摄氏温度。 热膨胀 热膨胀 从微观看，固体的热膨胀是固体中相邻原子间的平均距离增大。晶体中两相邻原子间的势能是原子核间距离的函数,势能曲线是一条非对称曲线（图1）。在一定的振动能量下，两原子的距离在平衡位置附近改变着，由于势能曲线的非对称性,其平均距离r大于平衡时的距离ro；在更高的振动能量时，它们的平均距离就更大。由于振动的能量随温度升高而增大，所以两原子间的平均距离也随温度升高而增大，结果使整块固体胀大。 E.格临爱森理论指出，膨胀系数同固体比热容成正比（见非谐相互作用），在低温下（小振幅振动）膨胀系数趋于零。 纯晶体沿不同的轴向可以有不同的α 值，多晶体几乎没有各向异性的效应。 固体的面膨胀系数定义为： 式中A为试件的面积。 固体的体膨胀系数定义为： 式中V为试件的体积。 对于各向同性固体，α、β、γ之间的关系为： β＝2α, γ＝3α。液体和气体的热膨胀 由于液体和气体没有固定的形状，只有体积随温度的变化才有意义，所以常用体膨胀系数表示它们的膨胀程度。体膨胀系数为 。气体的γ 可通过理想气体状态方程来计算，其值与温度和压强有关。 热膨胀 热膨胀 热膨胀 液体的γ 与压强近似无关，主要取决于温度。液体的γ 虽然可以在相当大的温度范围内取作常数（如膨胀式温度计），但也有反常情况。例如，温度从0°C到4°C时,水的体积缩小了；在4°C以上，它又随温度上升而膨胀。前者称为水的反常膨胀。 § 热膨胀系数 热膨胀仪 【热膨胀】 物体因温度改变而发生的膨胀现象叫“热膨胀”。通常是指外压强不变的情况下，大多数物质在温度升高时，其体积增大，温度降低时体积缩小。在相同条件下，气体膨胀最大，液体膨胀次之，固体膨胀最小。也有少数物质在一定的温度范围内，温度升高时，其体积反而减小。因为物体温度升高时，分子运动的平均动能增大，分子间的距离也增大，物体的体积随之而扩大；温度降低，物体冷却时分子的平均动能变小，使分子间距离缩短，于是物体的体积就要缩小。又由于固体、液体和气体分子运动的平均动能大小不同，因而从热膨胀的宏观现象来看亦有显著的区别。 【膨胀系数】 为表征物体受热时，其长度、面积、体积变化的程度，而引入的物理量。它是线膨胀系数、面膨胀系数和体膨胀系数的总称。 【固体热膨胀】 固体热膨胀现象，从微观的观点来分析，它是由于固体中相邻粒子间的平均距离随温度的升高而增大引起的。晶体中两相邻粒子间的势能是它们中心距离的函数，根据这种函数关系所描绘的曲线，如图2-6所示，称为势能曲线。它是一条非对称曲线。在一定温度下，粒子在平衡位置附近振动、具有的动能为EK，总能量为EK与相互作用能EP之和，它在整个运动过程中是守恒的。图中，粒子间最接近的距离是r′，最远的距离是r〃。由于距离减小所引起的斥力增长比由于距离增大所引起的引力下降快的多，因而粒子间接近的距离与粒子间远离的距离关系是 r0r′＜r〃-r0所以两相邻粒子中心的平均距离为 变的情形。由此可见，当晶体温度升高，粒子热振动加剧，体积膨胀。 【固体的线膨胀】 由于固体随温度的变化而变化，当温度变化不太大时，在某一方向长度的改变量称为“固体的线膨胀”。例如，一细金属棒受热而伸长。固体的任何线度，例如，长度、宽度、厚度或直径等，凡受温度影响而变化的，都称之为“线膨胀”。 【线膨胀系数】 亦称线胀系数。固体物质的温度每改变1摄氏度时，其长度的变化和它在0℃时长度之比，叫做“线膨胀系数”。单位为1/开。符号为αl。其定义式是 即有lt=l0（l+αlt）。由于物质的不同，线膨胀系数亦不相同，其数值也与实际温度和确定长度l时所选定的参考温度有关，但由于固体的线膨胀系数变化不大，通常可忽略这种变化，而将α当作与温度无关的常数。 【固体的面膨胀】 当固体的温度变化不大时，其表面积随温度的升高而增大，这一现象叫“固体的面膨胀”。遵循的规律为：St=S0（1+αst）式中αs为面膨胀系数，单位是1/开，其量值为αs≈2ατ。 【固体的体膨胀】 当固体的温度变化不大时，其体积随温度的升高而增大，这一现象叫“固体的体膨胀”。 【体积膨胀系数】 或称“体胀系数”。无论物质是哪种（固体、液体或气体）形态的变化，都称之为体膨胀。当物体温度改变1摄氏度时，其体积的变化和它在0℃时体积之比，叫做“体积膨胀系数”。符号用α表示。设在0℃时物质的体积为V0，在t℃时的体积为Vt，则体胀系数的定义式为 即有Vt=V0（1+αt）。由于固体或液体的膨胀系数很小，为计算方便起见，在温度不甚高时，可直接用下式计算，无需再求0℃时的体积V0V2=V1[1+α（t2-t1）]。式中V1是在t1℃时的体积，V2是在t2℃时的体积。这一式只适用于固体或液体，因为气体物质的膨胀系数值较大，不能运用此式。 【液体热膨胀】 液体是流体，因而只有一定的体积，而没有一定的形状。它的体膨胀遵循Vt=V0（1+βt）的规律，β是液体的体膨胀系数。其膨胀系数，一般情况是比固体大得多。 【气体的热膨胀】 气体热膨胀的规律较复杂，当一定质量气体的体积，受温度影响上升变化时，它的压强也可能发生变化。若保持压强不变，则一定质量的气体，必然遵循着Vt=V0（1+γt）的规律，式中的γ是气体的体膨胀系数。盖·吕萨克定律，反映了气体体积随温度变化的规律。这一定律也可表述为：一定质量的气体，在压强不变的情况下，温度每升高（或降低）1℃，增加（或减小）的体积等于它在0℃时体积。 【反常膨胀】 一般物质由于温度影响，其体积为热胀冷缩。但也有少数热缩冷胀的物质，如水、锑、铋、液态铁等，在某种条件下恰好与上面的情况相反。实验证明，对0℃的水加热到4℃时，其体积不但不增大，反而缩小。当水的温度高于4℃时，它的体积才会随着温度的升高而膨胀。因此，水在4℃时的体积最小，密度最大。湖泊里水的表面，当冬季气温下降时，若水温在4℃以上时，上层的水冷却，体积缩小，密度变大，于是下沉到底部，而下层的暖水就升到上层来。这样，上层的冷水跟下层的暖水不断地交换位置，整个的水温逐渐降低。这种热的对流现象只能进行到所有水的温度都达到4℃时为止。当水温降到4℃以下时，上层的水反而膨胀，密度减小，于是冷水层停留在上面继续冷却，一直到温度下降到0℃时，上面的冷水层结成了冰为止。以上阶段热的交换主要形式是对流。当冰封水面之后，水的冷却就完全依靠水的热传导方式来进行热传递。由于水的导热性能很差。因此湖底的水温仍保持在4℃左右。这种水的反常膨胀特性，保证了水中的动植物，能在寒冷季节内生存下来。这里还应注意到，冰在冷却时与一般物质相同，也是缩小的。受热则膨胀，只有在0℃到4℃的范围内的水才显示出反常膨胀的现象来。 § 固体的热膨胀 【实验方法】 固体的热膨胀 1．介绍固体线膨胀演示器的构造，如图2．13－3所示。金属棒的一端固定，另一端可以自由移动。金属棒伸长时，自由端沿棒的纵向移动，同时带动指针偏转。调节金属棒的位置（例如拧动固定端的螺旋），使指针处于竖直位置，并在标度板上做出标记。 2．强调金属棒是研究对象。观察的重点是指针，它的左右偏转，表明金属棒的缩短或伸长。 3．在酒精槽中倒入少量酒精，点燃酒精对金属棒直接加热，指针将向右偏转，表明金属棒温度升高时体积膨胀，长度增大。酒精烧尽后火焰熄灭，金属棒温度降低（还可用湿毛巾盖在棒上，再淋些冷水，加速冷却），指针向左偏转，表明温度降低时，金属棒收缩。 固体的热膨胀 4．放置两根金属棒（对应地有两个指针），一根是铜棒，一根是铁棒，加热时，与铜棒相连的指针偏转较大，表明同样条件下，铜棒比铁棒膨胀较多。 比较三个实验的加热方式，可知气体温度变化最小，金属棒的温度变化最大。比较三个实验显示膨胀采用的不同放大方式，气体和液体热膨胀实验都利用细玻璃管内小液柱或液面的移动显示烧瓶内气体或液体的膨胀结果，固体膨胀采用杠杆式指针将金属棒的线膨胀放大。通过比较可知，如果温度升高相同时，气体膨胀最大，固体膨胀最小。 【参考资料】 金属球和环热胀冷缩的实验。球和环温度相同时，金属球可以穿过金属环，若只把金属球放在酒精灯火焰上烧热，则球不能穿过金属杯；向球上淋冷水，使球温度降低后，球又能穿过环。若把金属球和环一起加热，则不论什么温度，球总能穿过金属环。然后，只把金属环冷却，球又不能穿过环，再把球冷却，球又可以穿过环。 固体的热膨胀 取长约0．5－1米的金属丝（如铜丝），两端固定，使金属丝水平张紧。在金属丝中部C处挂一个物体。用酒精灯对AC和BC两段金属丝加热（加热时，酒精灯在金属丝下来回移动），几分钟后，可以看到悬挂的重物位置下降。这表明金属丝受热后膨胀。 晶体的热膨胀[1] § 测量仪器 热膨胀仪 技术参数 1、最高炉温：1000℃，1400℃，1600℃由客户自选。 2、升温速度：0-100度/分可调，电脑程序控温。 3、计算机自动计算膨胀系数、体膨胀系数、线膨胀量。 4、自动计算补偿系数并自动补偿，也可人工修正（在线）。 5、自动记录、存储、打印数椐，打印温度-膨胀系数曲线。 温度间距自由设定，最小间距1℃。 6、膨胀值测量范围：±2.5mm。 7、测量膨胀值分辨率：1um，自动校正量程。 8、试样范围φ8×50㎜ 9、采用进口直线轴承传动，实现膨胀值无磨擦传递，传动精度及重复性极好。 10、系统测量误差：±0.1-0.5%。 11、电源电压：220V±10﹪，2KW。 12、仪器配有标准计算机接口，可与通用计算机相联，所有试验操作均计算机界面完成，操作方便易学并提供全套软件。 [2] |
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