热胀冷缩

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。 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。 若干材料在特定溫度範圍內，加熱反而收縮，謂之熱縮冷脹（英语：negative thermal expansion）、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。 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。 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。 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） α = 1 L ⋅ d L d T ≈ 1 L ⋅ Δ L Δ T , {\displaystyle \alpha ={\frac {1}{L}}\cdot {\frac {\mathrm {d} L}{\mathrm {d} T}}\approx {\frac {1}{L}}\cdot {\frac {\Delta L}{\Delta T}},} 和体积热膨胀系数： γ = 1 V 0 ( ∂ V ∂ T ) p , {\displaystyle \gamma ={\frac {1}{V_{0}}}\left({\frac {\partial V}{\partial T}}\right)_{p},} 其中下標 p {\displaystyle p} 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 α {\displaystyle \alpha } 與體膨脹系數 γ {\displaystyle \gamma } 的關係為 γ = 3 α {\displaystyle \gamma =3\alpha } 。 對常見物料如金屬和化合物，熱膨脹系數與熔點 T m {\displaystyle T_{\mathrm {m} }} 大致成反比。舉例對金屬有 α ≈ 0.020 T m , {\displaystyle \alpha \approx {\frac {0.020}{T_{\mathrm {m} }}},} 而對卤化物和氧化物則有 α ≈ 0.038 T m − 7.0 ⋅ 10 − 6 K − 1 . {\displaystyle \alpha \approx {\frac {0.038}{T_{\mathrm {m} }}}-7.0\cdot 10^{-6}\,\mathrm {K} ^{-1}.} 气体为理想气体。 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）.  维基共享资源上的相关多媒体资源：热胀冷缩 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）