# 热胀冷缩[编辑]

道路橋樑伸縮縫用來避免由於熱脹冷縮損壞。
**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。

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、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。

### 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。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。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。

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）

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_38
和体积热膨胀系数：

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_40
其中下標 WIKINIUM\_MATH\_PH\_42 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 WIKINIUM\_MATH\_PH\_44 與體膨脹系數 WIKINIUM\_MATH\_PH\_46 的關係為 WIKINIUM\_MATH\_PH\_48 。

對常見物料如金屬和化合物，熱膨脹系數與熔點 WIKINIUM\_MATH\_PH\_50 大致成反比。舉例對金屬有

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_52
而對卤化物和氧化物則有

 WIKINIUM\_MATH\_PH\_54
## 例子

气体为理想气体。

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| 常見固体的线性热膨胀系数*α* |
| --- |
| 物质
 | 10−6/K @ 20 °C
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| 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, Duran玻璃, 派热克斯玻璃）
 | 3.25
 |
| 玻璃（Quarzglas）
 | 0.5
 |
| 玻璃陶瓷（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
 |

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## 參考文獻

* 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）