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为什么物体会热胀冷缩_热胀冷缩的原理是什么?

来源:十万个为什么 作者: 热度:

  热胀冷缩这种现象在实际生活中十分常见,而人们也会利用物体的热胀冷缩来生产生活,那么,为什么物体会热胀冷缩?热胀冷缩的原理是什么?下面就来探究一下,物体受热后膨胀,受冷时缩小的原因吧。

为什么物体会热胀冷缩,热胀冷缩的原理是什么

  为什么物体会热胀冷缩?

  物体,包括固体、液体、气体在内,受热后都会程度不同地出现膨胀现象,也会在受冷时出现缩小现象。在固体、气体、液体三种物体中,通常气体热胀冷缩现象最为明显。

  我们都知道,物质是由原子组成的,原子在时刻不停地运动着,运动的速度会随温度改变,这是物体热胀冷缩的根本原因。

  物体受热后,温度就会升高,组成物质的分子的运动会随之逐渐活跃起来,分子之间的间隔也就渐渐拉开,于是,整个物体就膨胀起来了,物体受冷时,分子之间的间隔也就渐渐缩小,物体也就会缩小。

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  固体的热胀冷缩

  对于固体来说,它的基本单元是由质点(原子或离子)构成的点阵,这些质点在晶格点阵中围绕其平衡位置振动。这种振动不是左右对称的简谐振动,而是非简谐振动。当固体受热时,质点振动加剧,由于非简谐效应的存在,质点的平衡位置就会发生移动,导致相邻质点间的平均距离增大,于是,固体的体积就变大了。反过来,当温度降低时,由于质点振动减弱,质点之间的平均距离减小,固体的体积就变小了。

  金属铁有热胀冷缩的特性,因此我们在铺设铁轨时,必须保留一定的间隙,以防止气温升高时,铁轨因受热膨胀伸长而相互推挤变形。

  水泥公路上每隔一段距离就会留着一个间隙。这样就不会因为热胀冷缩,让地面开裂。

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  高铁的无缝钢轨不怕热胀冷缩现象吗?

  都说铁轨留有缝隙,防止热胀冷缩,但是大家都知道高铁采用的是无缝钢轨,难道高铁的铁轨不怕热胀冷缩吗?

  首先,高铁铁轨建设者们要固定铁轨,将轨道与枕木紧紧地固定住,这样一来就可以形成一部分的力量来作为钢轨的内应力。进而会抵消掉一部分热胀冷缩产生的应力,不会让轨道变形。

  第二,建设之初,就要根据当地气象资料进行调整,最终得出热胀冷缩造成钢轨形变的数值区间。然后,再根据这样的数值进行设计,预留出热胀冷缩的形变值。

  第三,在大约1.5公里以内的地方会有一个伸缩调节器,它也可以帮助钢轨释放出因热胀冷缩产生的能量。

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  液体的热胀冷缩

  液体同样存在热胀冷缩,比方说,我们常用的温度计,就利用了液态的水银(或酒精)的热胀冷缩特性。

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  为什么水不遵循热胀冷缩的规律?

  实验表明,水在4℃以上,仍然是遵循热胀冷缩规律的,从4℃以下,即4℃到0℃间才发生反常膨胀.水在4℃时,体积最小,密度最大。因而冰的密度略小于水的密度.所以可以浮在水面上。

  水的反常膨胀现象,原因是水分子具有特殊的结构,液态水,除含有简单的水分子(H2O)外,同时还含有缔合分子(H2O)2和(H2O)3等,当温度在0℃水未结冰时,大多数水分子是以(H2O)3的缔合分子存在,当温度升高到3.98 ℃(101 kPa)时,水分子多以(H2O)2缔合分子形式存在,分子占据空间相对减小,此时水的密度最大。如果温度再继续升高在3.98 ℃以上,一般物质热胀冷缩的规律即占主导地位了。水温降到0 ℃时,水结成冰,水结冰时几乎全部分子缔合在一起成为一个巨大的缔合分子,在冰中水分子的排布是每一个氧原子有四个氢原子为近邻(两个共价键,两个氢键)。这样一种排布导致成一种敞开结构,也就是说冰的结构中有较大的空隙,所以冰的密度反比同温度的水小。

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  气体的热胀冷缩

  气体的热胀冷缩现象也随处可见。乒乓球如果不小心被踩瘪了,只要放在开水里一烫,瘪的地方就鼓起来了,说明乒乓球里的空气受热以后体积变大了。不过,气体的热胀冷缩需要在一个体积可以变化的空间里才能观察到(如气球里的气体),因为如果把气体释放在一个固定的空间里,它就会充满整个空间,这时如果我们升高温度,这个空间的大小并不会变化,但气体的压强会增大。

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  人会热胀冷缩吗?

  看完了热胀冷缩的概念及原理,有人会问,人会热胀冷缩吗?这个问题分为两部分,一部分是身高,一部分是体重,下面就来说说。

  人也是由分子组成, 所以分子之间的距离会随温度变化,人也可以热胀冷缩。但是,大家不要忽略了人是恒温动物,因此,即使外面环境温差大,人体的温度变化并不大,所以,热胀冷缩对于人来说并不是很明显。

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