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) 材料 线膨胀系数(×0.000001/°C) ×10-6 一般铸铁 9.2-11.8 一般碳钢 10~13 铬钢 10~13 镍铬钢 13-15 铁 12-12.5 铜 18.5 青铜 17.5 黄铜 18.5 铝合金 23.8 金 14.2 常用材料的热膨胀系数 ×10-6 一般金属材料值：（10～20）×10-6            表2.1.17 节流件与管道常用材料的热膨胀系数 ×106 （mm/mm·℃） t/℃ -100~0 20~100 20~200 20~300 20~400 20~500 20`600 20~700 20~800 20~900 20~1000 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 12Cr3MoVSiTiB* 12CrMo* 灰口铸铁** 10.6 — — — 10.6 — 10.05 — — — — 16.2 — — — 16.0 — 8.3 11.75 11.5 11.60 11.16 11.59 10.50 10.00 9.80~ 10.63 12.50 11.50 10.80 16.60 10.60~ 12.20 16.60~ 17.10 17.20 17.80 10.31 11.20 10.5 12.41 12.60 12.12 12.32 11.00 10.00 11.30~ 12.35 13.60 12.00 11.20 17.00 11.30~ 13.00 17.10~ 17.20~ 17.50 18.80 11.46 12.50 13.45 12.78 13.09 11.50 10.50 12.30~ 13.35 13.60 11.60 17.20 12.10~ 13.50 17.60 17.90 20.90 11.92 12.70 13.60 13.00 13.38 13.71 12.00 10.50 13.00~ 13.60 14.00 12.50 11.90 17.50 12.90~ 13.90 18.00~ 18.10 12.42 12.90 13.85 13.93 14.18 12.00 11.00 12.84~ 14.15 14.40 12.10 17.90 13.14 13.20 13.90 14.60 14.38 14.67 13.80~ 14.60 14.7 13.00 12.30 18.20 13.50~ 14.30 18.60 13.31 13.50 14.81 15.08 14.20~ 14.86 18.60 14.70~ 15.00 13.54 13.80 12.93 12.50 13.50 12.48 13.56 13.16 14.40 t/℃ — 0~425 0~485 0~540 0~595 0~650 0~705         Cr5Mo*** — 12.30 12.50 12.70 12.80 13.00 13.10         *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)]。