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热学
热学
【热运动】是物质的一种运动形式。
宏观物体内部大量微观粒子(如分子、原子、电子等)永不停息的无规则运动称为热运动。
它是物质的一种基本运动形式。
一个物体或某一系统在热平衡时的温度,取决于他内部微观粒子热运动的状况,热运动越剧烈,它的温度就越高。
【热现象】凡与温度有关的物质系统性质的变化,统称为“热现象”。
例如,物体吸热后温度升高,体积膨胀;水受热后变成水蒸气等,都是由于温度发生了变化,物体的性质也随着而变化,这说明热现象是大量分子无规则运动的表现。
【温度】是表示物体冷热程度的物理量。
由人的感觉来判断物体的冷热程度,是建立在主观感觉基础上的。
为了能客观地反映物体的冷热程度,人们引入了温度的概念。
从分子运动论的观点来看,温度是物体内部大量分子无规则热运动剧烈程度的体现。
它是物体冷热的内在根据,热运动越剧烈,物体的温度就越高。
某一物体温度升高或降低,就标志
kT。
式中k为玻尔兹曼常数,T为
气体温度的微观实质是分子平均动能的量度。
由此看来,温度是含有统计意义的,它是大量气体分子热运动的集体表现。
对于个别分子而言,它的动能可能大于平均动能,也可能小于平均动能。
但在温度一定时,它是一个确定的值。
对于个别分子,说它温度是多少是没有意义的。
【温标】温度数值的表示方法叫做“温标”。
为了定量地确定温度,对物体或系统温度给以具体的数量标志,各种各样温度计的数值都是由温标决定的。
为量度物体或系统温度的高低对温度的零点和分度法所做的一种规定,是温度的单位制。
建立一种温标,首先选取某种物质的某一随温度变化的属性,并规定测温属性随温度变化的关系;其次是选固定点,规定其温度数值;最后规定一种分度的方法。
最早建立的温标是华氏温标、摄氏温标,这些温标统称为经验温标。
它们的缺陷是温度读数与测温物质及测温属性有关,测同一热力学系统的温度,若使用摄氏温标标定的不同测温属性的温度计,其读数除固定点外,并不严格一致。
经验温标现已废弃不用。
为了统一温度的测量,温度的计量工作中采用理想气体温标为标准温标。
规定温度与测温属性成正比关系,选水的三相点为固定点。
在气体液化点以下及高温下理想气体温标不适用,由于氦的液化温度最低,因此氦温度计有它一定的优越性。
国际单位制中采用的温标,是热力学温标。
它的单位是开尔文,中文代号是开,国际代号是K。
【摄氏温标】是经验温标之一,亦称“百分温标”。
温度符号为t,单位是摄氏度,国际代号是“℃”。
摄氏温标是以在一大气压下,纯水的冰点定为0℃。
在一大气压下,汽点作为100℃,两个标准点之间分为100等分,每等分代表1℃。
在温度计上刻100℃的基准点时,并不是把温度计的水银泡(或其他液体)插在沸腾的水里,而是将温度计悬在蒸汽里。
实验表明只有纯净的水在正常情况下沸腾时,沸水的温度才同上面蒸汽温度一样。
若水中有了杂质,溶解了别的物质,沸点即将升高,也就是说,要在比纯净水的沸点更高的温度下才会沸腾。
如水中含有杂质,当水沸腾时,悬挂在蒸汽里的温度计上凝结的却是纯净的水,因此它的水银柱的指示跟纯净水的沸点相同。
在给温度计定沸点时,避免水不纯的影响,应用悬挂温度计的方法。
为了统一摄氏温标和热力学温标,1960年国际计量大会对摄氏温标予以新的定义,规定它应由热力学温标导出,即
t=T-273.15
用摄氏度表示的温度差,也可用“开”表示,但应注意,由上式所定义的摄氏温标的零点与纯水的冰点并不严格相等,沸点也不严格等于100℃。
华氏温度计的冰点为32度,沸点为212度,两
【华氏温标】是经验温标之一。
在美国的日常生活中,多采用这种温标。
规定在一大气压下水的冰点为32度,沸点为212度,两个标准点之间分为180等分,每等分代表1度。
华氏温度用字母°F表示。
它与
摄氏温度(C)和华氏温度(F)之间的换算关系为
摄氏温标与华氏温标的各种温度计,在玻璃管中根据不同的用途,装有不同的液体(如煤油、酒精或水银),由于液体膨胀与温度之间并不严格遵守线性关系,而且不同的液体和温度的非线性关系彼此也不一样
【三相点】亦称“三态点”。
一般指各种稳定的纯物质处于固态、液态、气态三个相(态)平衡共存时的状态,叫做该物质的“三相点”。
该点具有确定的温度和压强。
物态叫做“相”,通常物质是以三种形态存在。
即固态、液态、气态,也可称为固相、液相、气相。
物体的变化常叫做相变。
或者说,在某一系统中,具有相同物理性质均匀的部分亦称为相。
相与相间必有明显可分的界面。
例如,食盐的水溶液是一相,若食盐水浓度大,有食盐晶体,即成为两相。
水和食油混合,是两个液相并存,而不能成为一个相。
又如水、冰和汽三相共存时,其温度为273.16K(0.01℃),压强为6.106×102帕。
由于在三相点物质具有确定的温度,因此用它来作为确定温标的固定点比选汽点和冰点具有优越性,所以三相点这个固定温度适于作为温标的基点,现在都以水的三相点的温度作为确定温标的固定点。
几种物质三相点的数据
温 度 (K)
压 强 (帕)
氢
13.84
7038.2
氘
18.63
17062.4
氖
24.57
43189.2
氮
63.18
12530.2
二氧化碳
216.55
517204
水
273.16
610.5
【绝对零度】绝对零度是根据理想气体所遵循的规律,用外推的方法得到的。
当温度降低到-273.15℃时,气体的体积将减小到零。
若用分子运动论来解释,理想气体分子的平均平动动能由温度T确定,则可将绝对零度与“理想气体分子停止运动时的温度”等同看待。
事实上一切实际气体在温度接近-273.15℃时,早已变成液态或固态,它的温度趋于一个极限值,这个极限值就称为绝对零度。
绝对零度是温度的最低点,实际上永远也不会达到的。
【分子物理学】物理学的一个学科。
分子物理学从物质的微观结构的观点出发,研究气体、液体和固体的基本性质及其热现象的规律。
如物体的体积,压强和温度之间的关系;物质的比热容;扩散、热传递、粘滞性等输运过程以及液体的表层性质,相平衡以及简单的相变过程。
【分子运动论】分子运动论是从物质的微观结构出发来阐述热现象规律的理论,例如它阐明了气体的温度是分子平均平动动能大小的标志,大量气体分子对容器器壁的碰撞而产生对容器壁的压强。
此外,它还初步揭示了气体的扩散,热传递和粘滞现象的本质,并解释了许多气体实验定律,分子运动论的成就促进了统计物理学的进一步发展。
【分子】由化学键结合起来的单个原子或一组原子,它是物质中能独立存在并保持该物质一切化学性质的最小单位。
例如,水分子是由两个氢原子和一个氧原子组成的(H2O)。
像氯化钠那样的离子化合物并无明显的分子结构。
氯化钠一般写成NaCl,但氯化钠晶体事实上是由氯离子(Cl-)和钠离子(Na+)有规则排列。
构成物质的单位是多种多样的,或是原子(如金属)或是离子(如盐类)或是分子(如有机物)。
为了简化,在中学物理中,一般把构成物质的单位统称为分子。
用油膜法可以粗略地测定分子的大小。
分子直径的数量级是10-10米。
物理学中有各种不同的方法来测定分子的大小。
用不同方法测出的分子的大小并不完全相同,但数量级是相符的。
把分子看作小球,是分子运动论中对分子的简化模型,实际上,分子有它复杂的内部结构。
【阿伏伽德罗常数】是化学和物理学中的重要常数之一。
1摩尔(简称摩,国际符号是mol)的任何物质,其中含有的粒子数相同。
称为“阿伏伽德罗常数”。
用“N”表示
N=6.022045×1023摩尔-1。
此常数系意大利化学家阿伏伽德罗发现,因而得名。
知道阿伏伽德罗常数,可算出水分子的质量mH2O=3×10-26千克。
阿伏伽德罗常数是微观世界的一个重要常数,用分子运动论定量地研究热现象时经常要用到它,它是联系宏观世界和微观世界的桥梁。
这一常数将摩尔质量或摩尔体积这种宏观物理量跟分子质量或分子大小这种微观物理量联系了起来。
因此阿伏伽德罗常数相当重要。
上述为其精确值,通常可取作N=6.02×1023摩尔-1。
【阿伏伽德罗定律】又称“阿伏伽德罗假说”。
由压强公式和气体分子的平均平动动能与温度的关系,将得到气体压强的另一表达式:
P=nKT
这一公式表明,在相同的温度T和相同的压强P下,任何气体在相同的体积内所包含的分子数都相等。
这一结论叫做“阿伏伽德罗定律”。
如在标准状态(大气压值为标准大气压,温度T为273.15K)时,任何气体在1米3中含有的分子数都等于2.6876×1025个/米3。
这个数值就称为洛喜密脱常数。
由于1摩尔的任何气体所含分子数都相等,所以阿伏伽德罗定律也可表述为:
在相同的温度和相同的压强下,1摩尔的任何气体所占有的体积都相同。
这一定律仅对理想气体才严格正确。
【物态】亦称“聚集态”。
是物质分子集合的状态,是实物存在的形式,在通常条件下,物质有三种不同的聚集态:
固态、液态和气态,即平常所说的物质三态。
固态和液态,统称为凝聚态。
它们在一定的条件下可以平衡共存,也可以相互转变。
例如,在一个标准大气压,0℃时,冰、水混合物可以平衡共存,当温度和压强变化时,该混合物可以完全变成水,或完全结成冰。
除上述物质三态外,近年来我们还把“等离子体”称为物质的第四态,把存在于地球内部的超高压、高温状态的物质称为物质的第五态。
此外还有超导态和超流态。
【分子力】组成物体的分子间在距离相当近时所显示的相互作用力。
这种相互作用在分子间距r<10-8米时才显示出来。
当分子间距r<10-10米时,分子之间表现为斥力,而当分子间距处于10-8米>r>10-10米的范围内,分子之间又表现为引力。
如图2-1所示。
当r<r0(r0约为10-10米左右)时,两分子之间的引力和斥力将随距离的缩小而迅速增大,引力比斥力增长慢,总的表现是斥力。
当r>r0时,两分子间的斥力和引力都随距离的增大而减小,但引力减小得慢,总的表现出是一种引力。
当r=r0时,两分子之间的引力和斥力相等,作用的合力为零。
分子间的作用同时存在引力和斥力,由于这两个力随分子间距离变化的情况不同,所表现出来的合力有时为引力,有时为斥力,有时为零。
分子力的本质相当复杂,它与分子的电性结构有密切关系。
对于气体,在一般条件下,分子之间的距离较大,其分子力是微不足道的,可以忽略。
但在低温、高压情况下,分子力不能忽略。
固体和液体分子聚集的主要因素是分子力,使它们有一系列不同于气体的性质。
此外,分子之间的作用力在不同的情况下表现的形式是不同的。
有时表现为“内聚力”,有时表现为“附着力”。
【内聚力】*是在同种物质内部相邻各部分之间的相互吸引力,这种相互吸引力是同种物质分子之间存在分子力的表现。
只有在各分子十分接近时(小于10-6厘米)才显示出来。
内聚力能使物质聚集成液体或固体。
特别是在与固体接触的液体附着层中,由于内聚力与附着力相对大小的不同,致使液体浸润固体或不浸润固体。
【附着力】*是在两种不同物质的接触处所发生的相互吸引力。
这种相互吸引力是两种物质分子之间存在分子力的表现。
只有在这两种物质的分子十分接近(小于10-8米)时才显示出来。
从微观角度来看固体表面总是“粗糙”的,所以两固体接触时很难显示附着力的作用。
液体与固体则能密切接触,它们之间就容易显示附着力的作用。
液体浸润固体的现象,就是附着力发生作用的结果。
总之附着力和内聚力都来源于分子之间的作用力,但不能把分子之间的作用力称为附着力或内聚力,因附着力和内聚力是指物质各部分间的相互作用,并不是指某几个分子之间的相互作用。
【表面张力】液体表面分子间的吸引力。
即液体表面的分子有一种使其面积缩成最小的力,或称一种抵抗表面积扩张的力,此力称“表面张力”。
液体表面是指液体与空气或其他液体相接触的自由面。
若不指明,即可认为相对于空气而言。
表面张力的大小与接触面的物质有密切关系。
此外,表面张力还与温度有关,温度越高,表面张力越小。
表面张力的方向总是与液面相切,与分界线相垂直。
若在液面作一长为L的直线,将液面分成两部分,这两部分之间的相互牵引力为F,则表面张力F=σL。
其中σ为液体表面张力系数。
表面张力的单位为牛顿/米。
由于表面张力的作用,液滴表面有收缩到最小的趋势,而使液滴成近似球形的状态。
【液体的表面层】*液体自由面以下厚度等于分子力作用半径的一层液体层,叫做“液体表面层”。
从微观角度来看,液体表面并不是一个几何面,而是有一定厚度的薄层。
由于表面层内的分子力作用,使分子都受到一个与液体自由面相垂直、方向指向液体内部的作用力。
表面张力就是由表面层中应力的各向异性所引起的。
【液体的附着层】*设液体分子的分子力作用半径为r,固体分子的分子力作用半径为l,当液体与固体接触时,在界面处液体一侧厚度等于r(当r>l时),或等于l(当l>r时)的一层液体层,叫做液体的附着层。
在附着层中的液体分子,是处于液体与固体两种物质分子的分子力相互作用下,于是在与固体接触处的液面将出现浸润、不浸润、弯月面以及毛细现象等。
【弯月面】*由于液体对固体浸润或不浸润的作用,使液体在圆柱形的管子里,呈现不同的液面。
凡不浸润固体的液体表面呈凸状。
例如水银装在玻璃管内,液面即成凸状,而浸润体的液体表面则成凹状,例如,水装在玻璃管内其液面即成凹面状态。
这些弯曲的液面,统称为弯月面。
【布朗运动】悬浮在液体或气体中的微粒所作的永不停息的无规则运动,叫做布朗运动。
作布朗运动的微粒(直径约为10-15~10-3厘米)称为布朗微粒。
布朗运动是英国植物学家布朗于1827年观察悬浮在溶液中花粉运动时发现的。
这些小的颗粒,为液体的分子所包围,由于液体分子的热运动,小颗粒受到来自各个方向液体分子的碰撞,布朗粒子受到不平衡的冲撞,而作沿冲量较大方向的运动。
又因为这种不平衡的冲撞,使布朗微粒得到的冲量不断改变方向。
所以布朗微粒作无规则的运动。
温度越高,布朗运动越剧烈。
它间接显示了物质分子处于永恒的,无规则的运动之中,所以,布朗运动只反映了液体分子热运动所产生的结果,它并不能代表液体分子本身的热运动。
布朗运动的颗粒并不是单一的分子,每个小颗粒都含有千百万个分子。
因此,小颗粒的布朗运动只间接地揭露了分子的运动,并不就是分子运动。
由于分子的频繁碰撞,每个小颗粒在液体中受周围液体分子的碰撞每秒钟约有1021次。
在气体中由于气体分子的密度较低,小颗粒受气体分子的碰撞每秒至少也有1015次。
在这样频繁的碰撞下是很难观测的。
通常在显微镜下观察到的仅是微粒经过数秒或数十秒钟运动的总结果。
但是,布朗运动并不限于上述悬浮在液体或气体中的布朗微粒,一切很小的物体受到周围介质分子的撞击,也会在其平衡位置附近不停地作微小的无规则颤动。
例如,灵敏电流计上的小镜以及其他仪器上悬挂的细丝,都会受到周围空气分子的碰撞而产生无规则的扭摆或颤动。
【毛细管】凡内径很细的管子叫“毛细管”。
通常指的是内径等于或小于1毫米的细管,因管径有的细如毛发故称毛细管。
例如,水银温度计、钢笔尖部的狭缝、毛巾和吸墨纸纤维间的缝隙、土壤结构中的细隙以及植物的根、茎、叶的脉络等,都可认为是毛细管。
【摩尔】它是国际单位制中物质的量的基本单位,符号为mol。
含有的基本单元数与0.012千克碳12的原子数相等。
使用这单位时必须指明是什么样的基本单元,它可以是原子、分子、离子、电子、光子等。
1摩尔含有6.02252×1023个基本单元。
1摩尔原子量为A的元素具有A克质量(以前称1克原子)。
1摩尔分子量为M的化合物具有M克质量(以前称为1克分子)。
【扩散】由于粒子(原子、分子或分子集团)的热运动自发地产生物质迁移现象叫“扩散”。
扩散可以在同一物质的一相或固、液、气多相间进行。
也可以在不同的固体、液体和气体间进行。
主要由于浓度差或温度差所引起。
一般是从浓度较大的区域向浓度较小的区域扩散,直到相内各部分的浓度达到均匀或两相间的浓度达到平衡时为止。
物质直接互相接触时,称自由扩散。
若扩散是经过隔离物质进行时,则称为渗透。
在自然界中扩散现象起着很大的作用。
它使整个地球表面附近的大气保持相同的成分;土壤里所含有的各种盐类溶液的扩散,便于植物吸收,以利生长。
此外在半导体,冶金等很多行业都应用扩散,以达目的。
扩散,热传导和粘性通称为输运现象,其分别将物质(质量)、热能、动量由一位置移至另一位置,从而达到浓度或温度的均匀。
【吸收】物质吸取其他实物或能量的过程。
气体被液体或固体吸取,或液体被固体所吸取。
在吸收过程中,一种物质将另一种物质吸进体内与其融和或化合。
例如,硫酸或石灰吸收水分;血液吸收营养;毡毯、矿物棉、软质纤维板及膨胀珍珠岩等材料可吸收噪声;用化学木浆或棉浆制成纸质粗松的吸墨纸,用来吸干墨水。
吸收气体或液体的固体,往往具有多孔结构。
当声波、光波、电磁波的辐射,投射到介质表面时,一部分被表面反射,一部分被吸收而转变为其他形式的能量。
当能量在介质中沿某一方向传播时,随入射深度逐渐被介质吸收。
例如玻璃吸收紫外线,水吸收声波,金属吸收X射线等。
【吸附】在固体或液体表面对气体或溶质的吸着,而形成一层某种物质的原子和分子的过程。
一切固体的表面都从周围的大气中吸附了一层气体。
吸附层可以是化学键的结合(化学吸附),也可以是范德瓦耳斯力的结合(物理吸附)。
物理吸附是以“分子间力”相互吸引的,例如活性炭吸附各种气体。
化学吸附,一般吸附热较大,如镍催化剂吸附氢气。
在防毒、脱色等方面,吸附现象起一定的作用。
【热质说】是在19世纪初期以前流行的一种对热的本性解释的学说。
它认为“热”是一种没有质量,也没有体积的流质,称之为“热质”。
含热质越多的物体,温度就越高,所以物体温度的高低是取决于热质的含量。
它还认为热质可以渗入一切物体之中,热质可以从温度高的物体向温度低的物体流动。
当时就有人发现热质说对摩擦生热等现象无法解释,而且是矛盾的。
后来人们逐渐认识到热现象是与构成物质的微粒的运动相联系,热质并不存在。
到19世纪中期有关热质说即被废弃。
【热传递】亦称“传热”。
物质系统间的能量转移过程。
即内能从一个物体转移到另一个物体,或者从物体的一部分转移到同一物体邻近部分的过程,叫做“热传递”。
内能永远自发地从温度高的物体向温度低的物体传递。
在所有条件都相同的情况下,两个物体温度相差越大,内能的传递速度也快,当冷热程度不同的物体互相接触时,热传递要进行到它们的温度相等时才会停止,即达到热平衡。
一个物体不同部分的温度有差别,热传递在物体内部也要进行,直到温度相同为止。
虽然参加热传递过程的物体的温度将发生这样或那样的变化,但传递的能量与温度的变化之间没有必然的联系。
热传递的方式有三种:
即对流、传导和辐射。
这三种热传递的方式往往是伴随着进行的。
【热接触】*在两个系统相互接触时,在系统间发生了热量的传递,这种接触即称为热接触。
【热平衡】当两个系统互相接触时,如有温度的差异,其各自的状态可能发生变化,一段时间后,不再发生热量的传递,两系统将达到热平衡状态。
这种热平衡是经过热传递出现的。
某一系统,与外界接触时,其内部温度各处均匀,且与外界的温度相等,亦呈现热平衡。
【热传导】亦称“导热”。
是热传递三种基本方式之一。
它是固体中热传递的主要方式,在不流动的液体或气体层中层层传递,在流动情况下往往与对流同时发生。
热传导实质是由大量物质的粒子热运动互相撞击,而使能量从物体的高温部分传至低温部分,或由高温物体传给低温物体的过程。
在固体中,热传导的微观过程是:
在温度高的部分,晶体中结点上的微粒振动动能较大。
在低温部分,微粒振动动能较小。
因微粒的振动互相联系,所以在晶体内部就发生微粒的振动,动能由动能大的部分向动能小的部分传递。
在固体中热的传导,就是能量的迁移。
在金属物质中,因存在大量的自由电子,在不停地作无规则的热运动。
自由电子在金属晶体中对热的传导起主要作用。
在液体中热传导表现为:
液体分子在温度高的区域热运动比较强,由于液体分子之间存在着相互作用,热运动的能量将逐渐向周围层层传递,引起了热传导现象。
由于热传导系数小,传导的较慢,它与固体相同,而不同于气体;气体依靠分子的无规则热运动以及分子间的碰撞,在气体内部发生能量迁移,从而形成宏观上的热量传递。
【对流】是流体(液体和气体)热传递的主要方式。
热对流指的是液体或气体由于本身的宏观运动而使较热部分和较冷部分之间通过循环流动的方式相互掺和,以达到温度趋于均匀的过程。
对流可分自然对流和强迫对流两种:
自然对流是由于流体温度不均匀引起流体内部密度或压强变化而形成的自然流动。
例如,气压的变化,空气流动,风的形成,地面空气受热上升,上下层空气产生循环对流等;而强制对流是因受外力作用或与高温物体接触,受迫而流动的,叫强制对流。
例如,由于人工的搅拌,或机械力的作用(如鼓风机、水泵等),完全受外界因素的促使而形成对流的。
【热辐射】热的一种传递方式。
它不依赖物质的接触而由热源自身的温度作用向外发射能量,这种传热方式叫“热辐射”。
它和热的传导、对流不同。
它不依靠媒质而把热直接从一个系统传给另一系统。
热辐射是以电磁波辐射的形式发射出能量,温度的高低,决定于辐射的强弱。
温度较低时,主要以不可见的红外光进行辐射,当温度为300℃时,热辐射中最强的波长在5×10-4厘米左右,即在红外区。
当物体的温度在500℃以上至800℃时,热辐射中最强的波长成分在可见光区。
例如,太阳表面温度为6000℃,它是以热辐射的形式,经宇宙空间传给地球的。
这是热辐射远距离传热的主要方式。
近距离的热源,除对流、传导外,亦将以辐射的方式传递热量。
热辐射有时亦称红外辐射,波长范围约0.7微米到1毫米,为可见光谱中红光端以外的电磁辐射。
关于热辐射,其重要规律有四个:
基尔霍夫辐射定律、普朗克辐射分布定律、斯蒂藩—玻耳兹曼定律、维恩位移定律。
这四个定律,有时统称为热辐射定律。
【热绝缘】阻止或减少热能传递的任何方法谓之“热绝缘”。
例如,用泡沫材料或锯末填充的空心墙或屋顶棚,起绝热作用。
【热绝缘体】不易传热的材料,亦称热的不良导体。
如石棉等很多材料都是多孔的或纤维状的固体,它们能把空气封闭在小孔内。
气体不易导热,并防止对流。
瓷、纸、木头、玻璃、皮革等是热的不良导体。
羊毛、棉花、软木、除水银外的液体、以及气体等都是热的绝缘体。
【导热体】具有相当高热导性能的材料。
一般情况下各种金属都是良好的导热体,最善于传热的是银。
【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
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