熱脹冷縮在生活中的應(yīng)用及其發(fā)展前景

趙周皓

摘 要：科學(xué)研究表明：物體受熱時(shí)，物體的分子動(dòng)能增強(qiáng)，分子變得活躍，所以表現(xiàn)為膨脹；物體受冷時(shí)，物體的分子動(dòng)能減弱，分子受到抑制，所以表現(xiàn)為冷縮。熱脹冷縮在日常生活中得到廣泛運(yùn)用，也在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)揮著重要影響，在現(xiàn)代高科技時(shí)代具有廣闊的發(fā)展前景?？茖W(xué)正在以前所未有的速度向前發(fā)展，熱脹冷縮這一物體最基本的性能也將在科學(xué)發(fā)展中不斷被研究、開發(fā)和利用。

關(guān)鍵詞：熱脹冷縮；應(yīng)用；發(fā)展前景

中圖分類號(hào)：G63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-9132（2017）01-0236-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2017.01.144

物理中的熱脹冷縮，是物體的一種基本性質(zhì)，大多數(shù)物體都有這種性質(zhì)，在遇熱后膨脹，在遇冷后縮小。那么，物體為什么會(huì)有這樣的性質(zhì)呢？科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展，對(duì)這個(gè)原理的研究不斷深入。

科學(xué)研究表明：物體受熱時(shí)，物體的分子動(dòng)能增強(qiáng)，分子變得活躍，所以表現(xiàn)為膨脹；物體受冷時(shí)，物體的分子動(dòng)能減弱，分子受到抑制，所以表現(xiàn)為冷縮。由于受到物體內(nèi)部分子的復(fù)雜性影響，這種熱脹冷縮的性質(zhì)也有例外。例如，水在4℃以上會(huì)熱脹冷縮，而在4℃以下就會(huì)冷脹熱縮，這是因?yàn)樗械臍滏I在4℃以下時(shí)會(huì)隨著水溫的下降而增多，所以水在4℃以下就會(huì)呈現(xiàn)出膨脹的狀態(tài)。除了水，還有銻、鉍、鎵和青銅等物質(zhì)，也會(huì)有這種不同于大多數(shù)物質(zhì)的特性。

再繼續(xù)研究下去，為什么物體溫度發(fā)生變化時(shí)，物體分子的動(dòng)能就要受到影響并發(fā)生相應(yīng)的變化呢？于是，科學(xué)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，是原子內(nèi)部的一種加速運(yùn)動(dòng)，促成了物體的這種熱脹冷縮的性質(zhì)。當(dāng)原子受熱后，原子核的自旋和外層電子的公轉(zhuǎn)就會(huì)相應(yīng)地受到溫度的激發(fā)，就會(huì)引起原子內(nèi)部的離心力和電場(chǎng)力的相應(yīng)變化，于是核內(nèi)的質(zhì)子和中子以及核外的電子就會(huì)呈現(xiàn)出粒子運(yùn)動(dòng)的加速狀態(tài)。這種狀態(tài)體現(xiàn)在物質(zhì)的表面，就是熱脹冷縮這種自然現(xiàn)象。

科學(xué)研究的目的是為了實(shí)際生活中的應(yīng)用，或者反過(guò)來(lái)說(shuō)，實(shí)際生活中的多種實(shí)踐活動(dòng)也促進(jìn)了科學(xué)研究的進(jìn)步。

一、熱脹冷縮在日常生活中的基本運(yùn)用

例如，日常生活中剝雞蛋這樣一件小事，人們就應(yīng)用了熱脹冷縮的原理。雞蛋剛剛煮好的時(shí)候，如果急于剝殼，蛋殼上就會(huì)粘連著很多蛋白。這個(gè)時(shí)候，如果把剛出鍋的熱雞蛋放到冷水里浸一下，再剝蛋殼就容易得多了。

這里面的道理很簡(jiǎn)單，就是蛋殼和蛋白是由不同的物質(zhì)組成的，不同的物質(zhì)內(nèi)部當(dāng)然有不同的原子，不同原子受到溫度激發(fā)后內(nèi)部的加速運(yùn)動(dòng)也是不同的，所以熱脹冷縮的速度和幅度也是不同的。一般情況下：密度大的物質(zhì)伸縮性小，密度小的物質(zhì)伸縮性大；傳熱慢的物質(zhì)不易伸縮，傳熱快的物質(zhì)容易伸縮。因?yàn)榈皻づc蛋白的伸縮步調(diào)不一致，就造成了蛋殼與蛋白的分離。

在生活中，這樣利用熱脹冷縮的現(xiàn)象很常見。如小學(xué)生用開水燙圓被擠凹的乒乓球，就是一個(gè)非常有趣的例子。

二、熱脹冷縮在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中的重要影響

在人們的生產(chǎn)生活實(shí)踐中，熱脹冷縮對(duì)工業(yè)影響最大。比如，鋪設(shè)火車的軌道，在兩截鐵軌之間，要留出熱脹冷縮的接縫。再如，如果一種產(chǎn)品是由兩種材料混合生產(chǎn)而成，就要考慮這兩種材料的熱脹冷縮性質(zhì)，一般情況下是越接近越好。

熱膨脹系數(shù)是各種材料主要性能指標(biāo)中的一個(gè)重要參數(shù)，如金屬材料的熱膨脹系數(shù)、混凝土的熱膨脹系數(shù)等。在生產(chǎn)和施工中，都要充分考慮這一因素以保證產(chǎn)品和工程的質(zhì)量。例如，在建筑行業(yè)中，混凝土的熱膨脹系數(shù)直接關(guān)系著工程的質(zhì)量。

舉例來(lái)講，現(xiàn)在的建筑大多是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，鋼筋主要承受拉力，混凝土主要承受壓力，不僅比鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材以及成本相對(duì)較低，而且具有堅(jiān)固、耐久的特點(diǎn)，更重要的是還具有防火性能好的優(yōu)點(diǎn)。一旦遭遇火災(zāi)，因?yàn)殇摻詈突炷恋臒崤蛎浵禂?shù)不同，鋼筋急劇膨脹就會(huì)掙脫混凝土，使混凝土和鋼筋徹底分離，從而使建筑物徹底損毀。如在震驚世界的911事件中，美國(guó)世貿(mào)大樓雙子座的損毀就是一個(gè)很好的例子。但是，普通的火災(zāi)一般沒有恐怖襲擊中那么高能的熱源，所以熱膨脹系數(shù)低的混凝土作為不良導(dǎo)熱體，就會(huì)保護(hù)里面的鋼筋不會(huì)立即受到高溫的威脅。這樣，在無(wú)形之中就增強(qiáng)了建筑物內(nèi)部所有鋼筋互相作用支撐的時(shí)間，增強(qiáng)了建筑物承受火災(zāi)的能力，也為消防員的營(yíng)救爭(zhēng)取了寶貴的時(shí)間。

三、熱脹冷縮在現(xiàn)代高科技時(shí)代的發(fā)展前景

在現(xiàn)今的高科技時(shí)代，物體熱脹冷縮這一性能，正在呈現(xiàn)出高科技的新態(tài)勢(shì)?？茖W(xué)技術(shù)的高度發(fā)展，像微電子這樣高科技和結(jié)合信息產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)，給自動(dòng)化帶來(lái)了跨時(shí)代的改變。一方面對(duì)材料的熱膨脹性能提出了更高的要求，另一方面對(duì)熱膨脹的利用也不斷出現(xiàn)新的突破，并呈現(xiàn)出更加廣闊的發(fā)展趨勢(shì)。

（一）新的高科技材料為航空航天的發(fā)展提供了重要的保證

航空航天的發(fā)展，最先對(duì)工業(yè)材料發(fā)起了挑戰(zhàn)，像衛(wèi)星整流罩、太陽(yáng)能電池陣基板這一類的高科技產(chǎn)品，必然對(duì)材料科學(xué)提出更高的要求。航空航天領(lǐng)域的材料，不但要求耐腐蝕、耐高溫、耐輻射，而且要求密度小、剛性好、強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定。針對(duì)這些高科技的需要，先進(jìn)復(fù)合材料得到了大幅度的發(fā)展。通過(guò)石墨纖維與樹脂的復(fù)合，可以得到熱膨脹系數(shù)幾乎等于零的材料?？梢哉f(shuō)，這是人類對(duì)熱脹冷縮這一物理性能的挑戰(zhàn)，通過(guò)科學(xué)徹底改變了物體的性能。

（二）新的自動(dòng)化裝置將幫助人們解決更多的實(shí)際問(wèn)題

微電子技術(shù)的高速發(fā)展，也促進(jìn)了電器元件的開發(fā)和創(chuàng)新。比如，有些電器元件由兩種熱膨脹系數(shù)相差很大的材料構(gòu)成，然后利用熱脹冷縮的原理，通過(guò)熱膨脹系數(shù)大的材料的彎曲變形，達(dá)到在某種條件下自動(dòng)連接的目的。正是應(yīng)用熱脹冷縮這種性能，制成了多種自動(dòng)化裝置和儀表。日光燈的啟動(dòng)器就是根據(jù)這一原理制成的。啟動(dòng)器里有精巧的雙金屬片，它們能夠隨著溫度的改變自動(dòng)屈伸，開啟日光燈。

（三）隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展物體的熱膨脹性能將發(fā)揮更大的作用

可以設(shè)想一下，人類既然能夠通過(guò)材料復(fù)合使材料的熱膨脹系數(shù)基本上等于零，那么也就可以說(shuō)，人類的科學(xué)手段已經(jīng)能夠掌握對(duì)熱膨脹系數(shù)的控制。因此，展望未來(lái)，人類很有可能通過(guò)控制熱膨脹系數(shù)，制造出更多自動(dòng)化的裝置和設(shè)備，人類社會(huì)的現(xiàn)代化大大地向前推進(jìn)。

馬克思說(shuō)過(guò)：“科學(xué)就是實(shí)驗(yàn)的科學(xué)，科學(xué)就在于用理性的方法去整理感性的材料。”物理作為一門實(shí)用科學(xué)，它要求人們既忠于現(xiàn)實(shí)需要，又忠于科學(xué)規(guī)律。世界發(fā)展到今天，人類已經(jīng)創(chuàng)造了很多驚人的奇跡，如克隆技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、核能技術(shù)、航天技術(shù)等，科學(xué)正在以前所未有的速度向前發(fā)展。從亞里士多德創(chuàng)立自然科學(xué)，到牛頓在力學(xué)上的重大推進(jìn)，再到現(xiàn)代物理學(xué)中量子力學(xué)的產(chǎn)生，都體現(xiàn)了物理學(xué)在人類生活的各個(gè)領(lǐng)域的重要作用。同樣，熱脹冷縮這一物體最基本的性能，也將在科學(xué)發(fā)展中不斷被研究、開發(fā)和利用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙二麗.飲料瓶在熱脹冷縮實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].小學(xué)科學(xué)，2014（4）.

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