固体的热膨胀

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简介

当温度升高时，会观察到固体物体的热膨胀。固体物体在高温下的膨胀被称为固体的热膨胀。

可以看到体积和高度方面的分数变化。例如，通常会在铁路轨道之间看到缝隙，这仅仅是由于太阳的过高温度以及轨道的车轮，可以观察到热膨胀。一般来说，在固体物体上可以看到线性膨胀和膨胀系数。

在固体物体上，热膨胀可以体现在长度、高度和厚度方面，但在液体物体的情况下，热膨胀可以通过体积膨胀来观察。

什么是热膨胀？

热膨胀是由于固体物体的原子和分子运动引起的。键合力的直接或间接作用导致粒子原子结构的膨胀，从而导致固体的高度、长度以及厚度增加（Ge 等人，2018）。

对于晶体固体粒子，可能发生等向膨胀以及非等向膨胀。

图 1：热膨胀

等向膨胀是指在所有方向上均匀发生的膨胀，而非等向膨胀是指在固体物体的所有方向上不均匀的热膨胀。

固体物体的特性取决于化合物结构以及成分（Turcer & Padture，2018）。

热膨胀系数在软质材料中通常较高，在硬质材料中相对较低。固体中热膨胀的测量单位为“$\mathrm{0 C^{1}\:\:or\:\:K^{-1}}$”

热膨胀的类型

固体部件的热膨胀取决于尺寸和形状。在固体物体上，通常可以看到三种不同类型的部件：“线性膨胀、面积膨胀以及体积膨胀”。

线性膨胀是指固体部件的长度膨胀。面积膨胀是指宽度或长度的膨胀。例如，在方形瓷砖上施加热量也属于面积膨胀。

图 2：热膨胀类型

体积膨胀也称为固体体积的增加（Agne、Anand & Snyder，2022）。例如，当立方体被加热时，立方体的宽度会膨胀，然后立方体的所有边都会等量膨胀，这可以称为固体的体积膨胀。

固体热膨胀在日常生活中的应用

在日常生活中，已经看到了许多固体热膨胀的例子。例如，在夏季，由于温度升高，道路建筑会膨胀。为了避免热膨胀对固体产生的副作用，采用了不同类型的先进技术（Schueller 等人，2018）。

为了防止道路（尤其是在夏季）膨胀，会留出缝隙，否则在热膨胀后路面会开裂。

图 3：固体物体的热膨胀（金属球）

在桥梁和铁路轨道的建造中也可以看到热膨胀。另一个热膨胀的应用是在电报杆或电线杆中（Schueller 等人，2018）。

通常可以观察到，热膨胀主要发生在金属物体上，因为它们是良好的温度或热量吸收体。

热膨胀的组成部分

热膨胀的组成部分可以通过使用不同的组件（如热量和固体）来观察。对于热膨胀，固体物体是指任何结晶体，如钻石、不锈钢、铁、混凝土和许多其他金属（Mittal、Gupta & Chaplot，2018）。在橡胶、皮革或果冻等软固体中，热量会导致体积膨胀。

结论

热膨胀主要发生在金属物体上，并且金属物体大多发生线性膨胀。热膨胀完全取决于固体物体的表面。如果物体的表面足够平坦，则热膨胀率较高，而如果固体物体的表面积较小，则热膨胀率也较低。温度计是固体热膨胀的完美例子，因为在这个物体中，随着温度升高，水银的体积会变大。

常见问题

Q1. 线性膨胀的公式是什么？

答：线性膨胀的公式为 $\mathrm{\frac{\Delta l}{l}=\alpha l.\Delta T.}$ 在此公式中，l 表示物体的长度，$\mathrm{\Delta l}$ 表示长度变化，$\mathrm{\alpha l}$ 表示线性膨胀系数，$\mathrm{\Delta T}$ 表示温度变化。这是固体中最常见的热膨胀。

Q2. 面积膨胀的公式是什么？

答：面积膨胀的公式为 $\mathrm{\frac{\Delta A}{A}=\alpha A.\Delta T.}$ 在此公式中，A 表示固体物体的面积，$\mathrm{\Delta A}$ 表示面积变化，$\mathrm{\alpha A}$ 表示面积膨胀系数，$\mathrm{\Delta T}$ 表示温度变化。

Q3. 体积膨胀的公式是什么？

答：体积膨胀的公式为$\mathrm{\frac{\Delta V}{V}=\alpha V.\Delta T.}$ 在此公式中，V 表示固体物体的体积，$\mathrm{\Delta V}$ 表示体积变化，$\mathrm{\alpha V}$ 表示体积膨胀系数，$\mathrm{\Delta T}$ 表示温度变化。它主要出现在液体或气体物体中。

Q4. 什么叫立方膨胀？

答：立方膨胀是指体积膨胀，因为在大多数情况下，立方体的体积会随着热温度而膨胀。通过施加热量，立方体物体的热膨胀在体积方面会增加。