热膨胀

热膨胀是物质以改变其倾向形状，面积，体积，和密度响应于变化的温度，通常不包括相变。

温度是物质平均分子动能的单调函数。当一种物质被加热时，分子开始振动并移动得更多，通常会在它们之间产生更多的距离。随温度升高而收缩的物质是不常见的，并且仅在有限的温度范围内发生。相对膨胀（也称为应变）除以温度变化称为材料的线性热膨胀系数，通常随温度变化。随着粒子中能量的增加，它们开始移动得越来越快，从而削弱了它们之间的分子间作用力，从而使物质膨胀。

如果状态方程可用，它可用于预测所有所需温度和压力下的热膨胀值，以及许多其他状态函数。

许多材料在一定温度范围内加热收缩；这通常称为负热膨胀，而不是“热收缩”。例如，水的热膨胀系数在冷却到3.983°C时降为零，然后在低于该温度时变为负值；这意味着水在此温度下具有xxx密度，这导致水体在长时间低于零度的天气中将温度保持在较低的深度。此外，相当纯的硅在大约18到120开尔文之间的温度下具有负的热膨胀系数。

热膨胀通常随着键能的增加而降低，这也会影响固体的熔点，因此，高熔点材料更可能具有较低的热膨胀。一般来说，液体比固体稍微膨胀。与晶体相比，玻璃的热膨胀略高。在玻璃化转变温度下，无定形材料中发生的重排会导致热膨胀系数和比热的特征性不连续性。这些不连续性允许检测过冷液体转变为玻璃时的玻璃化转变温度。当玻璃形成液体从外部加热时，会发生一种有趣的“加热冷却”效应，导致液体深处的温度下降。

水（或其他溶剂）的吸收或解吸可以改变许多常见材料的尺寸；与热膨胀相比，许多有机材料由于这种效应而改变尺寸的幅度更大。从长远来看，暴露在水中的普通塑料会膨胀很多百分比。

热膨胀变化的物质，从而改变该物质的体积，同时可以忽略的程度改变其质量的颗粒之间的空间（可忽略的量来源于能量质量等价），从而改变它的密度，这对任何一个影响浮力作用于它。这在不均匀加热的流体质量的对流中起着至关重要的作用，特别是使热膨胀成为风和洋流的部分原因。

的热膨胀系数描述了一个对象的大小如何随温度的变化而变化。具体来说，它测量恒定压力下每度温度变化的尺寸变化分数，因此较低的系数描述了较低的尺寸变化倾向。已经开发了几种类型的系数：体积、面积和线性。系数的选择取决于特定的应用以及哪些维度被认为是重要的。对于实体，人们可能只关心沿长度或某个区域的变化。

体积热膨胀系数是最基本的热膨胀系数，与流体最相关。一般来说，物质随着温度的变化而膨胀或收缩，膨胀或收缩发生在各个方向。在各个方向以相同速率膨胀的物质称为各向同性。对于各向同性材料，面积和体积热膨胀系数分别约为线性热膨胀系数的两倍和三倍。

下面针对固体、液体和气体定义了这些系数的数学定义。

有关使用热膨胀特性的应用，请参阅双金属条、玻璃水银温度计和Tyndall的断线器。钢轨连续长段的热膨胀是钢轨屈曲的驱动力。这种现象导致仅在美国1998-2002年间就有190次火车脱轨。

在设计大型结构、使用卷尺或链测量土地测量距离、设计用于浇注热材料的模具以及在其他工程应用中（预计会因温度导致尺寸发生较大变化）时，必须考虑材料的膨胀和收缩.

热膨胀也用于机械应用以将零件相互配合，例如，可以通过使轴衬的内径略小于轴的直径，然后将其加热直到配合在轴上，从而将轴衬安装在轴上，并允许将其推到轴上后冷却，从而实现“收缩配合”。感应热缩配合是一种常见的工业方法，用于在150°C到300°C之间预热金属部件，从而使它们膨胀并允许插入或移除另一个部件。

存在一些线性膨胀系数非常小的合金，用于需要在一定温度范围内物理尺寸变化非常小的应用。其中之一是Invar36，膨胀大约等于0.6×10-6K-1。这些合金可用于可能发生大范围温度波动的航空航天应用。

Pullinger的仪器用于在实验室中确定金属棒的线性膨胀。该装置由一个两端封闭的金属圆筒（称为蒸汽夹套）组成。它设有蒸汽入口和出口。用于加热棒​​的蒸汽由锅炉供应，该锅炉通过橡胶管连接到入口。圆柱体的中心有一个孔，可以插入温度计。被研究的棒被封闭在一个蒸汽夹套中。它的一端是自由的，但另一端压在固定螺钉上。杆的位置由千分尺螺纹规或球度计确定。

为了确定金属的线性热膨胀系数，由该金属制成的管子通过蒸汽通过它来加热。管子的一端固定牢固，另一端靠在转轴上，转轴的运动由指针指示。合适的温度计记录管道的温度。这使得能够计算每度温度变化的长度相对变化。

由于各种原因，脆性材料中热膨胀的控制是一个关键问题。例如，玻璃和陶瓷都很脆，温度不均匀会导致膨胀不均匀，再次引起热应力，这可能会导致破裂。陶瓷需要与多种材料结合或协同工作，因此它们的膨胀必须与应用相匹配。因为釉料需要牢固地附着在下面的瓷器（或其他主体类型）上，所以必须调整它们的热膨胀以“适合”主体，以免出现裂纹或颤抖。CorningWare和火花塞是其成功关键的热膨胀产品的典型例子.陶瓷体的热膨胀可以通过烧制来控制，以产生将影响材料在所需方向上的整体膨胀的结晶物质。此外或替代地，主体的配方可以使用将具有所需膨胀的颗粒输送到基质的材料。釉料的热膨胀受它们的化学成分和它们所经历的烧制时间表控制。在大多数情况下，控制坯体和釉料膨胀涉及复杂的问题，因此必须在调整热膨胀时着眼于将受到影响的其他特性，并且通常需要进行权衡。

热膨胀会对储存在地上储罐中的汽油产生显着影响，这会导致汽油泵分配汽油，这些汽油在冬季可能比地下储罐中的汽油压缩得更多，或者比地下储罐中的汽油压缩得少在夏天。

在大多数工程领域都必须考虑热致膨胀。几个例子是：

• 金属框架窗户需要橡胶垫片。
• 橡胶轮胎需要在一定温度范围内表现良好，通过路面和天气被动加热或冷却，并通过机械弯曲和摩擦主动加热。
• 金属热水加热管不应使用长直管段。
• 铁路和桥梁等大型结构需要在结构中安装伸缩缝以避免太阳扭结。
• 冷车发动机性能不佳的原因之一是零件在达到正常工作温度之前没有效率地大间距。
• 甲烤架摆使用不同金属的结构，保持更稳定的温度摆长。
• 热天的电源线下垂，但冷天的电源线很紧。这是因为金属在加热下会膨胀。
• 膨胀节吸收管道系统中的热膨胀。
• 精密工程几乎总是要求工程师关注产品的热膨胀。例如，当使用扫描电子显微镜时，温度的微小变化（例如1度）会导致样品相对于焦点的位置发生变化。
• 液体温度计在管中装有液体（通常是水银或酒精），当其体积因温度变化而膨胀时，这会限制其仅向一个方向流动。
• 双金属机械温度计使用双金属条，由于两种金属的热膨胀不同而弯曲。