金属加热膨胀的本质是什么？
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发布时间：2022-04-22 08:37
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时间：2022-06-18 19:04
热膨胀[1]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。热膨胀与温度、热容、结合能以及熔点等物理性能有关。影响材料膨胀性能的主要因素为相变、材料成分与组织、各异性的影响。热膨胀的测量方法主要包括光学法、电测法和机械法。词条在最后还给出了常见液体的体膨胀系数与各种金属的线性膨胀系数。
中文名
热膨胀
外文名
thermal expansion
近义词
热胀冷缩
拼音
repengzhang
学科
材料物理学
快速
导航
物理本质
关系
影响的因素
测量方法
其他热膨胀
常见系数
各种金属系数
基本介绍
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。
物理本质
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r<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。
关系
与温度热容
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。
与结合能熔点
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：
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时间：2022-06-18 19:05
