物體的熱脹冷縮設(shè)計思路

物質(zhì)一般由原子或者分子構(gòu)成，因為分子也是原子組成的，所以下面我們統(tǒng)一說成“原子”；溫度的微觀解釋，是微觀粒子的熱運(yùn)動。熱脹冷縮的經(jīng)典力學(xué)原理：溫度升高后，原子核的振動更劇烈，核外電子的運(yùn)動速度也會變快，由于電子離心力作用，原子核與電子層的距離會拉大，宏觀體現(xiàn)就是熱脹冷縮；當(dāng)達(dá)到一定程度，將導(dǎo)致物體的物態(tài)發(fā)生改變。

經(jīng)典力學(xué)中提到電子繞核運(yùn)動的離心力，雖然能得到正確的結(jié)果，但是在量子力學(xué)中，這個解釋是有缺陷。因為量子力學(xué)中沒有實(shí)體的電子，電子將以電子云的形態(tài)出現(xiàn)，只是在溫度升高時，電子云的范圍會擴(kuò)張，結(jié)論和經(jīng)典力學(xué)的分析一致。

不過，熱脹冷縮并非絕對，因為影響原子間平均距離的，除了原子本身外，還有和相鄰原子間形成的化學(xué)鍵或者共價鍵！比如液態(tài)水中存在氫鍵，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，氫鍵的影響會導(dǎo)致液態(tài)水在0~4℃的區(qū)間內(nèi)，會發(fā)生和“熱脹冷縮”相反的現(xiàn)象！

任何宏觀物體從微觀的角度看，都由其內(nèi)部的大量分子和原子所構(gòu)成。按照熱力學(xué)理論，所有的分子和原子即便不受任何外力的作用，也都處于一定的熱運(yùn)動狀態(tài)，其熱運(yùn)動的激烈程度與該物體的溫度相關(guān)。只有當(dāng)物體溫度降為絕對零度（亦即通常的攝氏溫度零下273度）時，物體內(nèi)部的分子和原子熱運(yùn)動將會停止。但熱力學(xué)第三定律告訴我們，絕對零度是達(dá)不到的。因此物體分子的熱運(yùn)動只存在激烈程度上的差異，而絕對不會停止。

那么物體的體積與這種熱運(yùn)動有很大關(guān)系。簡單說，分子間隙的大小，就會影響到體積。而熱運(yùn)動則對分子間隙有很大影響。在固體的情況下，其內(nèi)部的分子和原子因為結(jié)合力的作用，一般不能離開固定位置，只能在平衡位置附近振動。但溫度越高，則振動的幅度越大，分子間因為互相碰撞，也使彼此間的距離增大，也就是間隙增大。最后的宏觀效果，就是使物體的整個體積有所增大。這就是熱漲的原因。

流體的情況類似，雖然其形狀不固定，但會采取容器的形狀。其內(nèi)部的分子不固定，可以自由移動，隨著溫度的升高，自由分子運(yùn)動的激烈程度增高，彼此間的碰撞也將更加激烈，最后導(dǎo)致分子間隙增大，體積也就增大。如果容器的體積固定，則流體內(nèi)部的壓力會隨溫度的升高而增大。遇到開放的容器，就會轉(zhuǎn)變?yōu)轶w積的增大。

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