关于热膨胀介绍

[拼音]：repengzhang

[外文]：thermal expansion

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。

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。

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。

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（图2）。

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