熱脹冷縮
熱力學 |
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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)稱為熱膨脹係數(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
[編輯]估計膨脹
[編輯]若系統的狀態方程已知,則可推導出任意溫度和壓強下熱膨脹的數值,還可計出其他態函數。
熱縮冷脹(負熱膨脹)
[編輯]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開爾文之間,熱膨脹系數為負。[1]
膨脹的因素
[編輯]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,高鍵能意味着高熔點,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。[2]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過冷液體變為玻璃的相變溫度。[3]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。[4]
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
[編輯]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
[編輯]熱膨脹係數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,實際應用中,有兩種主要的熱膨脹係數,分別是:
線性熱膨脹係數(coefficient of linear thermal expansion,簡稱CLTE,線脹係數)
和體積熱膨脹係數:
其中下標表示保持壓強不變。線脹係數是指固態物質當溫度改變1 K(°C亦同)時,其長度的變化和原長度的比值。各物體的線脹係數不同,一般金屬的線脹係數約在10-6 K-1的量級。
大多數情況之下,此係數為正值。也就是說溫度升高體積擴大。但是也有例外,當水在0到4攝氏度之間,會出現反膨脹。而一些陶瓷材料在溫度升高情況下,幾乎不發生幾何特性變化,其熱膨脹係數接近0。
對各向同性物料,線膨脹系數與體膨脹系數的關係為。
對常見物料如金屬和化合物,熱膨脹系數與熔點大致成反比。[5]舉例對金屬有
例子
[編輯]氣體為理想氣體。
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參考文獻
[編輯]- ^ Bullis, W. Murray. Chapter 6. O'Mara, William C.; Herring, Robert B.; Hunt, Lee P. (編). Handbook of semiconductor silicon technology. Park Ridge, New Jersey: Noyes Publications. 1990: 431 [2010-07-11]. ISBN 978-0-8155-1237-0. (原始內容存檔於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. (原始內容存檔於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]. (原始內容存檔於2021-06-13).
外部連結
[編輯]- Glass Thermal Expansion (頁面存檔備份,存於互聯網檔案館) Thermal expansion measurement, definitions, thermal expansion calculation from the glass composition
- Water thermal expansion calculator (頁面存檔備份,存於互聯網檔案館)
- DoITPoMS Teaching and Learning Package on Thermal Expansion and the Bi-material Strip (頁面存檔備份,存於互聯網檔案館)
- Engineering Toolbox – List of coefficients of Linear Expansion for some common materials (頁面存檔備份,存於互聯網檔案館)
- Article on how αV is determined (頁面存檔備份,存於互聯網檔案館)
- MatWeb: Free database of engineering properties for over 79,000 materials (頁面存檔備份,存於互聯網檔案館)
- USA NIST Website – Temperature and Dimensional Measurement workshop (頁面存檔備份,存於互聯網檔案館)
- Hyperphysics: Thermal expansion (頁面存檔備份,存於互聯網檔案館)
- Understanding Thermal Expansion in Ceramic Glazes (頁面存檔備份,存於互聯網檔案館)
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