Тепловое расширение

Основные понятия, термины, определения

Тепловое расширение — это физическое свойство вещества и материала, характеризующееся изменением размеров тела в процессе его нагревания.

С точки зрения термодинамики тепловое расширение следует рассматривать как изобарический процесс, при котором теплота при нагревании затрачивается на производство работы по расширению и на увеличение внутренней энергии тела. Количественно оно характеризуется изобарным коэффициентом расширения или коэффициентом объемного теплового расширения β:

β = (1/ V)(dV/dТ)_p,

где: V — объем тела (твердого, жидкого или газообразного);

Т — его абсолютная температура.

Практически значение β определяется по формуле:

β = (V₁ –V₂)/V₁(T₂-T₁);

где: Т₁ и Т₂ — температуры соответственно до и после нагревания;

V₁ и V₂ — объемы тела соответственно при Т₁ и Т₂.

Механизм теплового расширения твердых тел

Механизм теплового расширения твердых тел можно представить следующим образом. Если к твердому телу подвести тепловую энергию, то благодаря колебанию атомов в решетке происходит процесс поглощения им теплоты. При этом колебания атомов становятся более интенсивными, т.е. увеличиваются их амплитуда и частота. С увеличением расстояния между атомами увеличивается и потенциальная энергия, которая характеризуется межатомным потенциалом. Последний выражается суммой потенциалов сил отталкивания и притяжения. Силы отталкивания между атомами с изменением межатомного расстояния меняются быстрее, чем силы притяжения; в результате форма кривой минимума энергии оказывается несимметричной, и равновесное межатомное расстояние увеличивается. Это явление и соответствует тепловому расширению.

Тепловое расширение зависит от химических связей, типа структуры кристаллической решетки, ее анизотропии и пористости твердого тела.

Связь “тип химической связи — тепловое расширение”

Материалы с очень прочными химическими связями, такие, как алмаз, карбид кремния и другие соединения с ковалентной связью, имеют низкие коэффициенты термического расширения — КТР, поскольку при увеличении потенциальной энергии тел с ковалентной связью ее симметричность практически не нарушается и равновесное межатомное расстояние изменяется незначительно.

В соединениях с ионной связью, например МgО, NаСI и др., при повышении температуры потенциальную энергию определяет главным образом сила притяжения. В результате кривая межатомного потенциала становится асимметричной и увеличение межатомного расстояния, т.е. расширение, становится значительным.

КТР металлов из-за слабости химической связи обычно достаточно высок.

Высокомолекулярные соединения со слабыми ван-дер-ваальсовыми связями имеют очень высокий КТР (табл. 4.2.).

Таблица 4.2. Химические связи и тепловое расширение

Из таблицы видно, что КТР находится в прямой зависимости от прочности химической связи.