热膨胀系数

热膨胀系数
【热膨胀】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。

【膨胀系数】为表征物体受热时，其长度、面积、体积变化的程度，而引入的物理量。

它是线膨胀系数、面膨胀系数和体膨胀系数的总称。

【固体热膨胀】固体热膨胀现象，从微观的观点来分析，它是由于固体中相邻粒子间的平均距离随温度的升高而增大引起的。

晶体中两相邻粒子间的势能是它们中心距离的函数，根据这种函数关系所描绘的曲线，如图2-6所示，称为势能曲线。

它是一条非对称曲线。

在一定温度下，粒子在平衡位置附近振动、具有的动能为EK，总能量为EK与相互作用能EP之和，它在整个运动过程中是守恒的。

图中，粒子间最接近的距离是r′，最远的距离是r〃。

由于距离减小所引起的斥力增长比由于距离增大所引起的引力下降快的多，因而粒子间接近的距离与粒子间远离的距离关系是r0r′＜r〃-r0所以两相邻粒子中心的平均距离为变的情形。

由此可见，当晶体温度升高，粒子热振动加剧，体积膨胀。

【固体的线膨胀】由于固体随温度的变化而变化，当温度变化不太大时，在某一方向长度的改变量称为“固体的线膨胀”。

例如，一细金属棒受热而伸长。

固体的任何线度，例如，长度、宽度、厚度或直径等，凡受温度影响而变化的，都称之为“线膨胀”。

【线膨胀系数】亦称线胀系数。

固体物质的温度每改变1摄氏度时，其长度的变化和它在0℃时长度之比，叫做“线膨胀系数”。

单位为1/开。

符号为αl。

其定义式是即有lt=l0（l+αlt）。

由于物质的不同，线膨胀系数亦不相同，其数值也与实际温度和确定长度l时所选定的参考温度有关，但由于固体的线膨胀系数变化不大，通常可忽略这种变化，而将α当作与温度无关的常数。

【固体的面膨胀】当固体的温度变化不大时，其表面积随温度的升高而增大，这一现象叫“固体的面膨胀”。

遵循的规律为：St=S0（1+αst）式中αs为面膨胀系数，单位是1/开，其量值为αs≈2ατ。

【固体的体膨胀】当固体的温度变化不大时，其体积随温度的升高而增大，这一现象叫“固体的体膨胀”。

【体积膨胀系数】或称“体胀系数”。

无论物质是哪种（固体、液体或气体）形态的变化，都称之为体膨胀。

当物体温度改变1摄氏度时，其体积的变化和它在0℃时体积之比，叫做“体积膨胀系数”。

符号用α表示。

设在0℃时物质的体积为V0，在t℃时的体积为Vt，则体胀系数的定义式为即有Vt=V0（1+αt）。

由于固体或液体的膨胀系数很小，为计算方便起见，在温度不甚高时，可直接用下式计算，无需再求0℃时的体积V0V2=V1[1+α（t2-t1）]。

式中V1是在t1℃时的体积，V2是在t2℃时的体积。

这一式只适用于固体或液体，因为气体物质的膨胀系数值较大，不能运用此式。

【液体热膨胀】液体是流体，因而只有一定的体积，而没有一定的形状。

它的体膨胀遵循Vt=V0（1+βt）的规律，β是液体的体膨胀系数。

其膨胀系数，一般情况是比固体大得多。

【气体的热膨胀】气体热膨胀的规律较复杂，当一定质量气体的体积，受温度影响上升变化时，它的压强也可能发生变化。

若保持压强不变，则一定质量的气体，必然遵循着Vt=V0（1+γt）的规律，式中的γ是气体的体膨胀系数。

盖·吕萨克定律，反映了气体体积随温度变化的规律。

这一定律也可表述为：一定质量的气体，在压强不变的情况下，温度每升高（或降低）1℃，增加（或减小）的体积等于它在0℃时体积。

【反常膨胀】一般物质由于温度影响，其体积为热胀冷缩。

但也有少数热缩冷胀的物质，如水、锑、铋、液态铁等，在某种条件下恰好与上面的情况相反。

实验证明，对0℃的水加热到4℃时，其体积不但不增大，反而缩小。

当水的温度高于4℃时，它的体积才会随着温度的升高而膨胀。

因此，水在4℃时的体积最小，密度最大。

湖泊里水的表面，当冬季气温下降时，若水温在4℃以上时，上层的水冷却，体积缩小，密度变大，于是下沉到底部，而下层的暖水就升到上层来。

这样，上层的冷水跟下层的暖水不断地交换位置，整个的水温逐渐降低。

这种热的对流现象只能进行到所有水的温度都达到4℃时为止。

当水温降到4℃以下时，上层的水反而膨胀，密度减小，于是冷水层停留在上面继续冷却，一直到温度下降到0℃时，上面的冷水层结成了冰为止。

以上阶段热的交换主要形式是对流。

当冰封水面之后，水
的冷却就完全依靠水的热传导方式来进行热传递。

由于水的导热性能很差。

因此湖底的水温仍保持在4℃左右。

这种水的反常膨胀特性，保证了水中的动植物，能在寒冷季节内生存下来。

这里还应注意到，冰在冷却时与一般物质相同，也是缩小的。

受热则膨胀，只有在0℃到4℃的范围内的水才显示出反常膨胀的现象来。

通过上面一名词，还是不能解决一些在机械装配中内孔装配的问题。

请各位高手在此贴进行交流。

谢谢！体膨胀系数β=ΔV/(V*ΔT)
线膨胀系数α=ΔL/(L*ΔT)
常用材料的热膨胀系数×10-6
一般金属材料值：（10～20）×10-6
表节流件与管道常用材料的热膨胀系数×106（mm/mm·℃）
t/℃-100~020~10020~20020~30020~40020~50020`60020~70020~80020~90020~1000 15号钢、A3钢
A3F、B3钢10号钢
20号钢
45号钢
1Cr13、2Cr13 Cr17
12Cr1MoV
10CrMo910
Cr6SiMo
X20CrMoWV121 1Cr18Ni9Ti 普通碳钢
工业用銅
红铜
黄铜—
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*采用该列数据时，工作温度下的管道内径或节流件开孔直径，应采用下式计算：D=D20[">∧D(t-25)]；d=d20[">∧d(t-25)]。

**灰口铸铁的20～100℃范围为10～100℃范围。

***采用该列数据时，工作温度下的管道内径或节流件开孔直径，应采用下式计算：D=D20[">∧D(t-0)]；d=d20[">∧d(t-0)]。