Кратко: В большинстве случаев при нагревании объём твёрдого тела увеличивается – это явление называется термическим расширением. Однако существует ряд материалов и особых условий, при которых объём может уменьшаться при повышении температуры. В статье рассматриваются основные принципы, коэффициенты теплового расширения, исключения из правила и практические последствия.
Физическая природа теплового расширения
Тепловое расширение – это изменение размеров (длины, площади, объёма) тела под действием изменения температуры. На микроскопическом уровне причиной является увеличение средней амплитуды колебаний атомов и молекул в решётке или в структуре вещества.
- При повышении температуры частицы получают дополнительную кинетическую энергию.
- Среднее расстояние между соседними частицами увеличивается, т.к. силы отталкивания вблизи равновесного положения становятся менее «жёсткими».
- В результате макроскопический размер тела растёт.
Эти процессы описываются линейным коэффициентом теплового расширения α (для объёма – β ≈ 3α в изотропных телах).
Формула линейного расширения
Для небольших диапазонов температур справедлива линейная аппроксимация:
ΔL = α·L₀·ΔT ΔV = β·V₀·ΔT (β ≈ 3α)
где ΔL – изменение длины, L₀ – первоначальная длина, ΔT – изменение температуры, ΔV – изменение объёма, V₀ – первоначальный объём.
Типичные значения коэффициентов теплового расширения
| Материал | α·10⁶ K⁻¹ |
|---|---|
| Алюминий | 23,1 |
| Сталь (углеродистая) | 11,7 |
| Медь | 16,5 |
| Стекло (боросиликатное) | 3,3 |
| Кварцевый кремнезём (SiO₂) | 0,55 |
| Титан | 8,6 |
| Полипропилен | 100–150 |
Как видно из таблицы, у большинства металлов и полимеров коэффициент положительный, что приводит к расширению при нагревании.
Исключения из правила: когда объём уменьшается при нагревании?
Материалы с отрицательным коэффициентом теплового расширения (НКТЭ)
Существует небольшая, но важная группа веществ, у которых α отрицателен в определённых диапазонах температур. Примеры:
- Цинкит (Zn₄Si₂O₇(OH)₂·H₂O) – при нагревании от 0 °C до 150 °C объём уменьшается.
- Титанат кальция (CaTiO₃) – отрицательное расширение в узком температурном диапазоне.
- Кварцевый стеклообразный материал ZrW₂O₈ – один из самых известных NTE‑материалов, коэффициент около –9·10⁻⁶ K⁻¹ от 0 °C до 1050 °C.
Механизм: в кристаллической решётке происходит «вращение» или «скручивание» звеньев, которое приводит к сокращению расстояний между некоторыми атомами, несмотря на рост их колебаний.
Фазовые переходы
При определённых температурах материал может переходить в другую фазу, обладающую меньшим объёмом. Пример – переход воды в пар (объём резко увеличивается) и обратный процесс конденсации (объём резко уменьшается). В твердых телах аналогичные явления наблюдаются, например, у:
- Титана (α‑Ti → β‑Ti) – при нагревании до ~882 °C происходит расширение, но при дальнейшем нагреве до ~1150 °C материал переходит в фазу с меньшим объёмом.
- Алюминиевых сплавов с особыми добавками, где при нагревании происходит «обратный» трансформативный процесс.
Эластомерные и полимерные материалы
У полимеров и резин свойства сильно зависят от температуры. Как указано в исходном фрагменте:
Свойства тел порой зависят от температуры: раскаленный металл становится пластичным, охлажденная резина хрупкой.
При нагревании резины её молекулы переходят из стеклообразного состояния в эластичное, объём может слегка уменьшаться из‑за более плотного укладывания цепей в гибком состоянии. При дальнейшем нагревании (выше температуры плавления) резина начинает расширяться.
Практические примеры и последствия
Инженерные конструкции
При проектировании мостов, железнодорожных путей, трубопроводов учитывают положительное расширение металлов. Применяются компенсационные швы и «расширительные» элементы.
Точные оптические приборы
В системах, где требуются микрометры стабильности (линзы, интерферометры), используют материалы с низким или отрицательным коэффициентом расширения, чтобы избежать смещения оптической оси.
Электронные компоненты
В микросхемах и печатных платах используют керамику с почти нулевым коэффициентом (например, кристаллы из семейства Al₂O₃‑MgO), а также материалы с отрицательным коэффициентом, чтобы компенсировать расширение металлов‑соединений.
Как измерить тепловое расширение?
Существует несколько методов:
- Дилатометрия – измерение изменения длины образца при контролируемом нагреве.
- Интерферометрия – высокоточная оценка изменения пути света, отражённого от образца.
- Термический микроскоп – наблюдение за микроскопическими изменениями размеров.
- Рентгеновская дифракция – измерение изменения параметров решётки кристалла.
Полученные данные позволяют построить графики ΔV/V₀ vs ΔT и определить коэффициенты α и β.
- Для большинства обычных материалов (металлы, большинство полимеров, стекло) объём увеличивается при нагревании – это следствие положительного коэффициента теплового расширения.
- Существует ряд исключительных материалов с отрицательным коэффициентом (NTE‑материалы), у которых объём уменьшается при повышении температуры.
- Фазовые переходы и особые состояния полимеров могут вызвать кратковременное уменьшение объёма при нагревании.
- Практически важно учитывать как положительные, так и отрицательные расширения при проектировании конструкций, требующих высокой точности;
Таким образом, ответ на вопрос «Объём тела при нагревании уменьшается – да или нет?» – не однозначный. В большинстве случаев – нет, но при наличии особых материалов или фазовых переходов возможен обратный эффект.
Дата публикации: 28 апреля 2026 г.