水(4°C以下)、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的间隙(以防止气温升高时,铁轨因受热膨胀伸长而相互推挤变形)。
受热收缩遇冷膨胀的是物理变化,原理是因为物体内的粒子运动会随温度改变,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。而热胀冷缩是由于物体内的原子运动会随温度改变,当温度上升时,原子的振动幅度加大,令物体膨胀。但当温度下降时,原子的振动幅度便会减少,使物体收缩。根据物质原子最小的原子结构来看,物质的热胀冷缩应该是由物质原子的内部加速运动形成的。从原子的内部结构来讲,当原子受热后,核内质子和中子以及核外电子呈现为原子运动的加速状态。由于原子核的自转以及电场的作用,牵引了核外电子围绕原子核做公转运动。原子核的自转速度决定着外围电子受离心力大小的变化,这也决定着原子内核与电子层轨道之间的距离和电场的高低。只有原子核的自旋和外层电子的公转受到外部能量的激发,才会构成原子内部的离心力和电场力的变化,从而也就体现了物质热胀冷缩的自然现象。主要是由于温度升高,原子的动能增加,原子的平均自由程增加,所以表现为热胀冷缩。
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