熱膨脹係數
熱膨脹儀【熱膨脹】
物體因溫度改變而發生的膨脹現象叫“熱膨脹”。通常是指外壓強不變的情況下，大多數物質在溫度升高時，其體積增大，溫度降低時體積縮小。在相同條件下，氣體膨脹最大，液體膨脹次之，固體膨脹最小。也有少數物質在一定的溫度範圍內，溫度升高時，其體積反而減小。因為物體溫度升高時，分子運動的平均動能增大，分子間的距離也增大，物體的體積隨之而擴大；溫度降低，物體冷卻時分子的平均動能變小，使分子間距離縮短，於是物體的體積就要縮小。又由於固體、液體和氣體分子運動的平均動能大小不同，因而從熱膨脹的巨觀現象來看亦有顯著的區別。
【膨脹係數】
為表征物體受熱時，其長度、面積、體積變化的程度，而引入的物理量。它是線膨脹係數、面膨脹係數和體膨脹係數的總稱。
【固體熱膨脹】
固體熱膨脹現象，從微觀的觀點來分析，它是由於固體中相鄰粒子間的平均距離隨溫度的升高而增大引起的。晶體中兩相鄰粒子間的勢能是它們中心距離的函式，根據這種函式關係所描繪的曲線，如圖2-6所示，稱為勢能曲線。它是一條非對稱曲線。在一定溫度下，粒子在平衡位置附近振動、具有的動能為EK，總能量為EK與相互作用能EP之和，它在整個運動過程中是守恆的。圖中，粒子間最接近的距離是r′，最遠的距離是r〃。由於距離減小所引起的斥力增長比由於距離增大所引起的引力下降快的多，因而粒子間接近的距離與粒子間遠離的距離關係是r0r′＜r〃-r0所以兩相鄰粒子中心的平均距離為變的情形。由此可見，當晶體溫度升高，粒子熱振動加劇，體積膨脹。
【固體的線膨脹】
由於固體隨溫度的變化而變化，當溫度變化不太大時，在某一方向長度的改變數稱為“固體的線膨脹”。例如，一細金屬棒受熱而伸長。固體的任何線度，例如，長度、寬度、厚度或直徑等，凡受溫度影響而變化的，都稱之為“線膨脹”。
【線膨脹係數】
亦稱線脹係數。固體物質的溫度每改變1攝氏度時，其長度的變化和它在0℃時長度之比，叫做“線膨脹係數”。單位為1/開。符號為αl。其定義式是即有lt=l0（l+αlt）。由於物質的不同，線膨脹係數亦不相同，其數值也與實際溫度和確定長度l時所選定的參考溫度有關，但由於固體的線膨脹係數變化不大，通常可忽略這種變化，而將α當作與溫度無關的常數。
【固體的面膨脹】
當固體的溫度變化不大時，其表面積隨溫度的升高而增大，這一現象叫“固體的面膨脹”。遵循的規律為：St=S0（1+αst）式中αs為面膨脹係數，單位是1/開，其量值為αs≈2ατ。
【固體的體膨脹】
當固體的溫度變化不大時，其體積隨溫度的升高而增大，這一現象叫“固體的體膨脹”。
【體積膨脹係數】
或稱“體脹係數”。無論物質是哪種（固體、液體或氣體）形態的變化，都稱之為體膨脹。當物體溫度改變1攝氏度時，其體積的變化和它在0℃時體積之比，叫做“體積膨脹係數”。符號用α表示。設在0℃時物質的體積為V0，在t℃時的體積為Vt，則體脹係數的定義式為即有Vt=V0（1+αt）。由於固體或液體的膨脹係數很小，為計算方便起見，在溫度不甚高時，可直接用下式計算，無需再求0℃時的體積V0V2=V1[1+α（t2-t1）]。式中V1是在t1℃時的體積，V2是在t2℃時的體積。這一式只適用於固體或液體，因為氣體物質的膨脹係數值較大，不能運用此式。
【液體熱膨脹】
液體是流體，因而只有一定的體積，而沒有一定的形狀。它的體膨脹遵循Vt=V0（1+βt）的規律，β是液體的體膨脹係數。其膨脹係數，一般情況是比固體大得多。
【氣體的熱膨脹】
氣體熱膨脹的規律較複雜，當一定質量氣體的體積，受溫度影響上升變化時，它的壓強也可能發生變化。若保持壓強不變，則一定質量的氣體，必然遵循著Vt=V0（1+γt）的規律，式中的γ是氣體的體膨脹係數。蓋·呂薩克定律，反映了氣體體積隨溫度變化的規律。這一定律也可表述為：一定質量的氣體，在壓強不變的情況下，溫度每升高（或降低）1℃，增加（或減小）的體積等於它在0℃時體積。
【反常膨脹】
一般物質由於溫度影響，其體積為熱脹冷縮。但也有少數熱縮冷脹的物質，如水、銻、鉍、液態鐵等，在某種條件下恰好與上面的情況相反。實驗證明，對0℃的水加熱到4℃時，其體積不但不增大，反而縮小。當水的溫度高於4℃時，它的體積才會隨著溫度的升高而膨脹。因此，水在4℃時的體積最小，密度最大。湖泊里水的表面，當冬季氣溫下降時，若水溫在4℃以上時，上層的水冷卻，體積縮小，密度變大，於是下沉到底部，而下層的暖水就升到上層來。這樣，上層的冷水跟下層的暖水不斷地交換位置，整個的水溫逐漸降低。這種熱的對流現象只能進行到所有水的溫度都達到4℃時為止。當水溫降到4℃以下時，上層的水反而膨脹，密度減小，於是冷水層停留在上面繼續冷卻，一直到溫度下降到0℃時，上面的冷水層結成了冰為止。以上階段熱的交換主要形式是對流。當冰封水面之後，水的冷卻就完全依靠水的熱傳導方式來進行熱傳遞。由於水的導熱性能很差。因此湖底的水溫仍保持在4℃左右。這種水的反常膨脹特性，保證了水中的動植物，能在寒冷季節內生存下來。這裡還應注意到，冰在冷卻時與一般物質相同，也是縮小的。受熱則膨脹，只有在0℃到4℃的範圍內的水才顯示出反常膨脹的現象來。
固體的熱膨脹
【實驗方法】
固體的熱膨脹1．介紹固體線膨脹演示器的構造，如圖2．13－3所示。金屬棒的一端固定，另一端可以自由移動。金屬棒伸長時，自由端沿棒的縱向移動，同時帶動指針偏轉。調節金屬棒的位置（例如擰動固定端的螺鏇），使指針處於豎直位置，並在標度板上做出標記。
2．強調金屬棒是研究對象。觀察的重點是指針，它的左右偏轉，表明金屬棒的縮短或伸長。
3．在酒精槽中倒入少量酒精，點燃酒精對金屬棒直接加熱，指針將向右偏轉，表明金屬棒溫度升高時體積膨脹，長度增大。酒精燒盡後火焰熄滅，金屬棒溫度降低（還可用濕毛巾蓋在棒上，再淋些冷水，加速冷卻），指針向左偏轉，表明溫度降低時，金屬棒收縮。
固體的熱膨脹4．放置兩根金屬棒（對應地有兩個指針），一根是銅棒，一根是鐵棒，加熱時，與銅棒相連的指針偏轉較大，表明同樣條件下，銅棒比鐵棒膨脹較多。
比較三個實驗的加熱方式，可知氣體溫度變化最小，金屬棒的溫度變化最大。比較三個實驗顯示膨脹採用的不同放大方式，氣體和液體熱膨脹實驗都利用細玻璃管內小液柱或液面的移動顯示燒瓶內氣體或液體的膨脹結果，固體膨脹採用槓桿式指針將金屬棒的線膨脹放大。通過比較可知，如果溫度升高相同時，氣體膨脹最大，固體膨脹最小。
【參考資料】
金屬球和環熱脹冷縮的實驗。球和環溫度相同時，金屬球可以穿過金屬環，若只把金屬球放在酒精燈火焰上燒熱，則球不能穿過金屬杯；向球上淋冷水，使球溫度降低後，球又能穿過環。若把金屬球和環一起加熱，則不論什麼溫度，球總能穿過金屬環。然後，只把金屬環冷卻，球又不能穿過環，再把球冷卻，球又可以穿過環。
固體的熱膨脹取長約0．5－1米的金屬絲（如銅絲），兩端固定，使金屬絲水平張緊。在金屬絲中部C處掛一個物體。用酒精燈對AC和BC兩段金屬絲加熱（加熱時，酒精燈在金屬絲下來回移動），幾分鐘後，可以看到懸掛的重物位置下降。這表明金屬絲受熱後膨脹。
晶體的熱膨脹
測量儀器
熱膨脹儀
技術參數
1、最高爐溫：1000℃，1400℃，1600℃由客戶自選。
2、升溫速度：0-100度/分可調，電腦程式控溫。
3、計算機自動計算膨脹係數、體膨脹係數、線膨脹量。
4、自動計算補償係數並自動補償，也可人工修正（線上）。
5、自動記錄、存儲、列印數椐，列印溫度-膨脹係數曲線。
溫度間距自由設定，最小間距1℃。
6、膨脹值測量範圍：±2.5mm。
7、測量膨脹值解析度：1um，自動校正量程。
8、試樣範圍φ8×50㎜
9、採用進口直線軸承傳動，實現膨脹值無磨擦傳遞，傳動精度及重複性極好。
10、系統測量誤差：±0.1-0.5%。
11、電源電壓：220V±10﹪，2KW。
12、儀器配有標準計算機接口，可與通用計算機相聯，所有試驗操作均計算機界面完成，操作方便易學並提供全套軟體。
