基本介绍

物体因温度改变而发生的膨胀现象叫“热膨胀” 。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，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

热膨胀物理本质

质点在平衡位置两侧受力不对称，即合力曲线的斜率不等。

当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

势能曲线

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。

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