熱脹冷縮這種現(xiàn)象在實(shí)際生活中十分常見，而人們也會(huì)利用物體的熱脹冷縮來生產(chǎn)生活，那么，為什么物體會(huì)熱脹冷縮？熱脹冷縮的原理是什么？下面就來探究一下，物體受熱后膨脹，受冷時(shí)縮小的原因吧。 為什么物體會(huì)熱脹冷縮？ 物體，包括固體、液體、氣體在內(nèi)，受熱后都會(huì)程度不同地出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，也會(huì)在受冷時(shí)出現(xiàn)縮小現(xiàn)象。在固體、氣體、液體三種物體中，通常氣體熱脹冷縮現(xiàn)象最為明顯。 我們都知道，物質(zhì)是由原子組成的，原子在時(shí)刻不停地運(yùn)動(dòng)著，運(yùn)動(dòng)的速度會(huì)隨溫度改變，這是物體熱脹冷縮的根本原因。 物體受熱后，溫度就會(huì)升高，組成物質(zhì)的分子的運(yùn)動(dòng)會(huì)隨之逐漸活躍起來，分子之間的間隔也就漸漸拉開，于是，整個(gè)物體就膨脹起來了，物體受冷時(shí)，分子之間的間隔也就漸漸縮小，物體也就會(huì)縮小。  固體的熱脹冷縮 對于固體來說，它的基本單元是由質(zhì)點(diǎn)（原子或離子）構(gòu)成的點(diǎn)陣，這些質(zhì)點(diǎn)在晶格點(diǎn)陣中圍繞其平衡位置振動(dòng)。這種振動(dòng)不是左右對稱的簡諧振動(dòng)，而是非簡諧振動(dòng)。當(dāng)固體受熱時(shí)，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)加劇，由于非簡諧效應(yīng)的存在，質(zhì)點(diǎn)的平衡位置就會(huì)發(fā)生移動(dòng)，導(dǎo)致相鄰質(zhì)點(diǎn)間的平均距離增大，于是，固體的體積就變大了。反過來，當(dāng)溫度降低時(shí)，由于質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)減弱，質(zhì)點(diǎn)之間的平均距離減小，固體的體積就變小了。 金屬鐵有熱脹冷縮的特性，因此我們在鋪設(shè)鐵軌時(shí)，必須保留一定的間隙，以防止氣溫升高時(shí)，鐵軌因受熱膨脹伸長而相互推擠變形。 水泥公路上每隔一段距離就會(huì)留著一個(gè)間隙。這樣就不會(huì)因?yàn)闊崦浝淇s，讓地面開裂。  高鐵的無縫鋼軌不怕熱脹冷縮現(xiàn)象嗎？ 都說鐵軌留有縫隙，防止熱脹冷縮，但是大家都知道高鐵采用的是無縫鋼軌，難道高鐵的鐵軌不怕熱脹冷縮嗎？ 首先，高鐵鐵軌建設(shè)者們要固定鐵軌，將軌道與枕木緊緊地固定住，這樣一來就可以形成一部分的力量來作為鋼軌的內(nèi)應(yīng)力。進(jìn)而會(huì)抵消掉一部分熱脹冷縮產(chǎn)生的應(yīng)力，不會(huì)讓軌道變形。 第二，建設(shè)之初，就要根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料進(jìn)行調(diào)整，最終得出熱脹冷縮造成鋼軌形變的數(shù)值區(qū)間。然后，再根據(jù)這樣的數(shù)值進(jìn)行設(shè)計(jì)，預(yù)留出熱脹冷縮的形變值。 第三，在大約1.5公里以內(nèi)的地方會(huì)有一個(gè)伸縮調(diào)節(jié)器，它也可以幫助鋼軌釋放出因熱脹冷縮產(chǎn)生的能量。  液體的熱脹冷縮 液體同樣存在熱脹冷縮，比方說，我們常用的溫度計(jì)，就利用了液態(tài)的水銀（或酒精）的熱脹冷縮特性。  為什么水不遵循熱脹冷縮的規(guī)律？ 實(shí)驗(yàn)表明，水在4℃以上，仍然是遵循熱脹冷縮規(guī)律的，從4℃以下，即4℃到0℃間才發(fā)生反常膨脹.水在4℃時(shí)，體積最小，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。 水的反常膨脹現(xiàn)象，原因是水分子具有特殊的結(jié)構(gòu)，液態(tài)水，除含有簡單的水分子（H2O）外，同時(shí)還含有締合分子(H2O)2和(H2O)3等，當(dāng)溫度在0℃水未結(jié)冰時(shí)，大多數(shù)水分子是以(H2O)3的締合分子存在，當(dāng)溫度升高到3.98 ℃（101 kPa）時(shí)，水分子多以(H2O)2締合分子形式存在，分子占據(jù)空間相對減小，此時(shí)水的密度最大。如果溫度再繼續(xù)升高在3.98 ℃以上，一般物質(zhì)熱脹冷縮的規(guī)律即占主導(dǎo)地位了。水溫降到0 ℃時(shí)，水結(jié)成冰，水結(jié)冰時(shí)幾乎全部分子締合在一起成為一個(gè)巨大的締合分子，在冰中水分子的排布是每一個(gè)氧原子有四個(gè)氫原子為近鄰（兩個(gè)共價(jià)鍵，兩個(gè)氫鍵）。這樣一種排布導(dǎo)致成一種敞開結(jié)構(gòu)，也就是說冰的結(jié)構(gòu)中有較大的空隙，所以冰的密度反比同溫度的水小。  氣體的熱脹冷縮 氣體的熱脹冷縮現(xiàn)象也隨處可見。乒乓球如果不小心被踩癟了，只要放在開水里一燙，癟的地方就鼓起來了，說明乒乓球里的空氣受熱以后體積變大了。不過，氣體的熱脹冷縮需要在一個(gè)體積可以變化的空間里才能觀察到（如氣球里的氣體），因?yàn)槿绻褮怏w釋放在一個(gè)固定的空間里，它就會(huì)充滿整個(gè)空間，這時(shí)如果我們升高溫度，這個(gè)空間的大小并不會(huì)變化，但氣體的壓強(qiáng)會(huì)增大。  人會(huì)熱脹冷縮嗎？ 看完了熱脹冷縮的概念及原理，有人會(huì)問，人會(huì)熱脹冷縮嗎？這個(gè)問題分為兩部分，一部分是身高，一部分是體重，下面就來說說。 人也是由分子組成， 所以分子之間的距離會(huì)隨溫度變化，人也可以熱脹冷縮。但是，大家不要忽略了人是恒溫動(dòng)物，因此，即使外面環(huán)境溫差大，人體的溫度變化并不大，所以，熱脹冷縮對于人來說并不是很明顯。 |
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