热膨胀物体因温度改变而发生的膨胀现象

物体因温度改变而发生的膨胀现象叫“热膨胀”。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。

中文名

热膨胀

外文名

thermal expansion

适用领域

物理、能源

所属学科

材料物理学

原理

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着的区别。

固体

【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”。

液体

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

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

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。

实验方法

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。

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。

测量仪器

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。

参考资料

1.热膨胀仪·铄思百检测

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