固體的熱膨脹

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簡介

當溫度升高時，會觀察到固體物體的熱膨脹。固體物體在高溫下的膨脹被稱為固體的熱膨脹。

可以看到體積和高度方面的分數變化。例如，通常會在鐵路軌道之間看到縫隙，這僅僅是由於太陽的過高溫度以及軌道的車輪，可以觀察到熱膨脹。一般來說，在固體物體上可以看到線性膨脹和膨脹係數。

在固體物體上，熱膨脹可以體現在長度、高度和厚度方面，但在液體物體的情況下，熱膨脹可以透過體積膨脹來觀察。

什麼是熱膨脹？

熱膨脹是由於固體物體的原子和分子運動引起的。鍵合力的直接或間接作用導致粒子原子結構的膨脹，從而導致固體的高度、長度以及厚度增加（Ge 等人，2018）。

對於晶體固體粒子，可能發生等向膨脹以及非等向膨脹。

圖 1：熱膨脹

等向膨脹是指在所有方向上均勻發生的膨脹，而非等向膨脹是指在固體物體的所有方向上不均勻的熱膨脹。

固體物體的特性取決於化合物結構以及成分（Turcer & Padture，2018）。

熱膨脹係數在軟質材料中通常較高，在硬質材料中相對較低。固體中熱膨脹的測量單位為“$\mathrm{0 C^{1}\:\:or\:\:K^{-1}}$”

熱膨脹的型別

固體部件的熱膨脹取決於尺寸和形狀。在固體物體上，通常可以看到三種不同型別的部件：“線性膨脹、面積膨脹以及體積膨脹”。

線性膨脹是指固體部件的長度膨脹。面積膨脹是指寬度或長度的膨脹。例如，在方形瓷磚上施加熱量也屬於面積膨脹。

圖 2：熱膨脹型別

體積膨脹也稱為固體體積的增加（Agne、Anand & Snyder，2022）。例如，當立方體被加熱時，立方體的寬度會膨脹，然後立方體的所有邊都會等量膨脹，這可以稱為固體的體積膨脹。

固體熱膨脹在日常生活中的應用

在日常生活中，已經看到了許多固體熱膨脹的例子。例如，在夏季，由於溫度升高，道路建築會膨脹。為了避免熱膨脹對固體產生的副作用，採用了不同型別的先進技術（Schueller 等人，2018）。

為了防止道路（尤其是在夏季）膨脹，會留出縫隙，否則在熱膨脹後路面會開裂。

圖 3：固體物體的熱膨脹（金屬球）

在橋樑和鐵路軌道的建造中也可以看到熱膨脹。另一個熱膨脹的應用是在電報杆或電線杆中（Schueller 等人，2018）。

通常可以觀察到，熱膨脹主要發生在金屬物體上，因為它們是良好的溫度或熱量吸收體。

熱膨脹的組成部分

熱膨脹的組成部分可以透過使用不同的元件（如熱量和固體）來觀察。對於熱膨脹，固體物體是指任何結晶體，如鑽石、不鏽鋼、鐵、混凝土和許多其他金屬（Mittal、Gupta & Chaplot，2018）。在橡膠、皮革或果凍等軟固體中，熱量會導致體積膨脹。

結論

熱膨脹主要發生在金屬物體上，並且金屬物體大多發生線性膨脹。熱膨脹完全取決於固體物體的表面。如果物體的表面足夠平坦，則熱膨脹率較高，而如果固體物體的表面積較小，則熱膨脹率也較低。溫度計是固體熱膨脹的完美例子，因為在這個物體中，隨著溫度升高，水銀的體積會變大。

常見問題

Q1. 線性膨脹的公式是什麼？

答：線性膨脹的公式為 $\mathrm{\frac{\Delta l}{l}=\alpha l.\Delta T.}$ 在此公式中，l 表示物體的長度，$\mathrm{\Delta l}$ 表示長度變化，$\mathrm{\alpha l}$ 表示線性膨脹係數，$\mathrm{\Delta T}$ 表示溫度變化。這是固體中最常見的熱膨脹。

Q2. 面積膨脹的公式是什麼？

答：面積膨脹的公式為 $\mathrm{\frac{\Delta A}{A}=\alpha A.\Delta T.}$ 在此公式中，A 表示固體物體的面積，$\mathrm{\Delta A}$ 表示面積變化，$\mathrm{\alpha A}$ 表示面積膨脹係數，$\mathrm{\Delta T}$ 表示溫度變化。

Q3. 體積膨脹的公式是什麼？

答：體積膨脹的公式為$\mathrm{\frac{\Delta V}{V}=\alpha V.\Delta T.}$ 在此公式中，V 表示固體物體的體積，$\mathrm{\Delta V}$ 表示體積變化，$\mathrm{\alpha V}$ 表示體積膨脹係數，$\mathrm{\Delta T}$ 表示溫度變化。它主要出現在液體或氣體物體中。

Q4. 什麼叫立方膨脹？

答：立方膨脹是指體積膨脹，因為在大多數情況下，立方體的體積會隨著熱溫度而膨脹。透過施加熱量，立方體物體的熱膨脹在體積方面會增加。