熱脹冷縮有妙用

金仲輝

讀者浩浩問(wèn)：“在夏天和冬天用同一把尺子量同一物體的長(zhǎng)度，在冬天測(cè)量的結(jié)果為何偏大？”

這個(gè)問(wèn)題涉及同體材料的熱膨脹問(wèn)題.熱膨脹問(wèn)題既包括我們通常所說(shuō)的熱脹冷縮現(xiàn)象，也包含少數(shù)固體材料會(huì)熱縮冷脹.為了更好地回答這位中學(xué)牛的問(wèn)題，我們首先要定義一個(gè)物理量——固體材料的線膨脹系數(shù)a.它被定義為溫度T升高（或降低）l℃時(shí)，固體材料長(zhǎng)度2的相對(duì)變化量Δι/ι，即a=Δι/ιΔΤ，它的單位為“℃—l”.例如，鋼的a=llxl0-6℃-1，鋁的a=23xlO-℃-1，銅的a=17xl0一6℃-1，普通玻璃的a=9xl0-6℃一.由線膨脹系數(shù)的定義可知，對(duì)于熱縮冷脹的材料，它的a值為負(fù)值.

在冬天用一把尺子測(cè)量一個(gè)物體的長(zhǎng)度，是否比在夏天測(cè)量所得的結(jié)果要大一些呢？回答是不確定的，這主要取決于尺子和被測(cè)量物體是由什么固體材料制成的.如上所述，鋁和銅的線膨脹系數(shù)均大T鋼的線膨脹系數(shù)，那就是說(shuō)鋁和銅的熱脹冷縮效應(yīng)比鋼強(qiáng)，同理普通玻璃的熱脹冷縮效應(yīng)比鋼弱，于是在冬天用鋼尺測(cè)量鋁管和銅管長(zhǎng)度要比在夏天測(cè)量時(shí)偏小，而測(cè)量普通玻璃管長(zhǎng)度要偏大，

現(xiàn)在我們要問(wèn)，究竟有多大的偏離量呢？假定炎熱的夏天和寒冷的冬天溫差△T=60℃，由線膨脹系數(shù)定義，計(jì)算出lm鋼尺的長(zhǎng)度變化量△ι=6.6×10-4m=0.66mm.Im普通玻璃管的長(zhǎng)度變化量△ι=5.4xl0-4m=0.54mm.由以上計(jì)算結(jié)果可得出，Im長(zhǎng)鋼尺和Im長(zhǎng)普通玻璃管，在冬、夏氣溫差60℃下，它們的變化量之差僅為0.12mm.如果測(cè)量時(shí)的氣溫差小于60℃.且鋼尺的最小刻度為1mm，那么在冬天和夏天用同一把鋼尺測(cè)量約Im長(zhǎng)的普通玻璃管，所得的長(zhǎng)度結(jié)果實(shí)際上是相同的.

由上述討論可看出，長(zhǎng)約Im的固體材料在冬、夏里的長(zhǎng)度變化是很小的.如果材料的長(zhǎng)度很長(zhǎng).它的變化量就非常可觀.例如，北京至上海的鐵路里程約1350km，如果冬、夏的最大氣溫差為60℃.那么鋼軌總長(zhǎng)度變化將為891m.如果用l350km長(zhǎng)的鋼軌從北京一直鋪到上海的話，那么到r炎熱的夏天，鋼軌要膨脹伸長(zhǎng)，這就會(huì)使鋼軌扭曲變形，列車根本無(wú)法行駛.為了防止這種現(xiàn)象發(fā)生，所以鋼軌是一段一段鋪設(shè)的，在它們連接的地方都留著一點(diǎn)空隙，這就使鋼軌有了自由伸縮的余地.靠這些空隙，就能解決寒冷的冬天和炎熱的夏天鋼軌相差891m的問(wèn)題了，

日常生活中我們會(huì)經(jīng)常遇到熱膨脹的現(xiàn)象.例如，在擰不開(kāi)玻璃瓶的金屬蓋時(shí)，我們可將它放在熱水中浸一下，由于金屬遇熱時(shí)比玻璃瓶有更大的熱膨脹性能，所以金屬蓋就可以很輕松地打開(kāi)了.還有，補(bǔ)牙材料的熱膨脹性能必須與牙齒本身的熱膨脹性能相吻合，否則我們?cè)诔詿岬臇|西或冷的東西就會(huì)感到非常痛苦.在工業(yè)生產(chǎn)中也常利用熱膨脹現(xiàn)象，例如在飛機(jī)的制造中，鉚釘和其他扣件在插入前要先在于冰中冷卻，然后通過(guò)熱膨脹現(xiàn)象就能讓它們形成牢固的結(jié)合.endprint