物体因温度改变而发生的膨胀现象叫“热膨胀”[2] 。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。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著的区别。

线(体)膨胀系数:温度升高1 K时,物体的长度(体积)的相对增加量。

固体材料的热膨胀本质[3] ,归结为点阵结构中质点间平均距离随温度升高而增大。按照简谐振动理论解释:温度变化只能改变振幅的大小不能改变平衡点的位置。材料的热膨胀来自原子的非简谐振动。用非简谐振动理论解释热膨胀机理。(利用在相邻原子之间存在非简谐力时,原子间的作用力曲线和势能曲线解释。)

(1)用作用力曲线解释

质点在平衡位置两侧受力不对称,即合力曲线的斜率不等。 热膨胀物理本质

当r0时,曲线的斜率较大,斥力随位移增大的较快,即位移距离x,所受合力大;

当r > r0时,曲线的斜率较小,引力随位移增大的较慢,即位移x距离,所受合力小。

在这样的受力情况下,质点振动的平衡位置不在r0处,而要向右移。因此,相邻质点间的平均距离增加。

温度越高,振幅越大,质点在平衡点两侧受力不对称越显著,平衡位置向右移动越多,晶胞参数越大,膨胀越大。

(2)用势能曲线解释

横轴的平行线E1、E2…与横轴之间的距离分别代表温度T1、T2 …时质点振动的总能量。 势能曲线

E1、E2…与势能曲线的两个交点(势能最大处)对应两个原子最远和最近位置,线段的中点为原子振动的中心位置。

势能曲线不是严格对称的抛物线,即势能随原子间距的减小,比随原子间距的增加而增加得迅速。

由于原子的能量随温度增加而增加,结果:原子振动的平均位置随温度升高沿AB曲线变化,温度越高,平均位置移得越远,膨胀越大。

格律乃森定律:[4]热膨胀系数与定容比热容成正比,它们有相似温度依赖关系,在低温下随温度升高急剧增大,而到高温则趋于平缓。

熔点较高的金属具有较低的膨胀系数。线膨胀系数和熔点的关系可由经验公式表示如下:

α1Tm=0.022

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