热胀冷缩

估計膨脹编辑

若系統的状态方程已知，則可推導出任意溫度和压强下熱膨脹的數值，還可計出其他态函数。

熱縮冷脹（負熱膨脹）编辑

若干材料在特定溫度範圍內，加熱反而收縮，謂之熱縮冷脹（英语：negative thermal expansion）、熱收縮、負熱膨脹。舉例，水的熱膨脹系數，在3.983 °C已跌至零，再降溫則系數變為負。換言之，水在該溫度時，密度取得最大值，傾向下沉。其效果是，即使在長時間零下的季節中，水體較深處仍能保持此溫度。同樣，較純的矽在18至120开尔文之間，熱膨脹系數為負。^[1]

膨脹的因素编辑

不同於氣體或液體，固體傾向在熱膨脹期間保持自身形狀。

鍵較強時，熱膨脹的效果較弱。同時，高鍵能意味着高熔点，所以高熔點的物料一般膨脹得較不明顯。作為一般規律，液體略比固體膨脹得多，而玻璃又略比晶體膨張得多。^[2]於玻璃相變溫度，無定形物料出現重組，使熱膨脹系數和比熱出現獨有的間斷點。此種間斷點使學者得以量度过冷液體變為玻璃的相變溫度。^[3]液體轉變成玻璃時，若從外界加熱，深入液體內部的溫度或反而下降，即有一種「加熱反而降溫」的現象。^[4]

吸附或脫附水（或其他溶劑）亦可改變一些常見物體的體積。對許多有機物料而言，此效應遠大於熱膨脹。常見塑膠若暴露於水，長遠可膨脹多個百分點。

對密度的影響编辑

熱膨脹改變物質粒子間的空間大小，所以會改變其體積，而對質量的影響則可以忽略（若考慮質能等價則不必為零）。如此，物質的密度亦會改變，影響所受浮力。不均勻受熱液體中，前述因素是對流的重要成因，所以說熱膨脹是風和洋流的成因之一。

热膨胀系数是溫度每升高一個單位時，物體較原先膨脹的比率。由於物體的大小可以用一個方向的尺寸（長度）或體積衡量，实际应用中，有两种主要的热膨胀系数，分別是：

线性热膨胀系数（coefficient of linear thermal expansion，簡稱CLTE，线胀系数）

${\displaystyle \alpha ={\frac {1}{L}}\cdot {\frac {\mathrm {d} L}{\mathrm {d} T}}\approx {\frac {1}{L}}\cdot {\frac {\Delta L}{\Delta T}},}$

和体积热膨胀系数：

${\displaystyle \gamma ={\frac {1}{V_{0}}}\left({\frac {\partial V}{\partial T}}\right)_{p},}$

其中下標${\displaystyle p}$ 表示保持壓強不變。线胀系数是指固态物质当温度改变1 K（°C亦同）时，其长度的变化和原长度的比值。各物体的线胀系数不同，一般金属的线胀系数约在10^-6 K^-1的量級。

大多数情况之下，此系数为正值。也就是说温度升高体积扩大。但是也有例外，当水在0到4摄氏度之间，会出现反膨胀。而一些陶瓷材料在温度升高情况下，几乎不发生几何特性变化，其热膨胀系数接近0。

對各向同性物料，線膨脹系數${\displaystyle \alpha }$ 與體膨脹系數${\displaystyle \gamma }$ 的關係為${\displaystyle \gamma =3\alpha }$ 。

對常見物料如金屬和化合物，熱膨脹系數與熔點${\displaystyle T_{\mathrm {m} }}$ 大致成反比。^[5]舉例對金屬有

${\displaystyle \alpha \approx {\frac {0.020}{T_{\mathrm {m} }}},}$

而對卤化物和氧化物則有

${\displaystyle \alpha \approx {\frac {0.038}{T_{\mathrm {m} }}}-7.0\cdot 10^{-6}\,\mathrm {K} ^{-1}.}$

气体为理想气体。

• Glass Thermal Expansion （页面存档备份，存于互联网档案馆） Thermal expansion measurement, definitions, thermal expansion calculation from the glass composition
• Water thermal expansion calculator （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• DoITPoMS Teaching and Learning Package on Thermal Expansion and the Bi-material Strip （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• Engineering Toolbox – List of coefficients of Linear Expansion for some common materials （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• Article on how α_V is determined （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• MatWeb: Free database of engineering properties for over 79,000 materials （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• USA NIST Website – Temperature and Dimensional Measurement workshop （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• Hyperphysics: Thermal expansion （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• Understanding Thermal Expansion in Ceramic Glazes （页面存档备份，存于互联网档案馆）