熱脹冷縮有妙用

金仲輝

讀者浩浩問：“在夏天和冬天用同一把尺子量同一物體的長度，在冬天測量的結果為何偏大？”

這個問題涉及同體材料的熱膨脹問題.熱膨脹問題既包括我們通常所說的熱脹冷縮現象，也包含少數固體材料會熱縮冷脹.為了更好地回答這位中學牛的問題，我們首先要定義一個物理量——固體材料的線膨脹系數a.它被定義為溫度T升高（或降低）l℃時，固體材料長度2的相對變化量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.由線膨脹系數的定義可知，對于熱縮冷脹的材料，它的a值為負值.

在冬天用一把尺子測量一個物體的長度，是否比在夏天測量所得的結果要大一些呢？回答是不確定的，這主要取決于尺子和被測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均大T鋼的線膨脹系數，那就是說鋁和銅的熱脹冷縮效應比鋼強，同理普通玻璃的熱脹冷縮效應比鋼弱，于是在冬天用鋼尺測量鋁管和銅管長度要比在夏天測量時偏小，而測量普通玻璃管長度要偏大，

現在我們要問，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℃，由線膨脹系數定義，計算出lm鋼尺的長度變化量△ι=6.6×10-4m=0.66mm.Im普通玻璃管的長度變化量△ι=5.4xl0-4m=0.54mm.由以上計算結果可得出，Im長鋼尺和Im長普通玻璃管，在冬、夏氣溫差60℃下，它們的變化量之差僅為0.12mm.如果測量時的氣溫差小于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量約Im長的普通玻璃管，所得的長度結果實際上是相同的.

由上述討論可看出，長約Im的固體材料在冬、夏里的長度變化是很小的.如果材料的長度很長.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℃.那么鋼軌總長度變化將為891m.如果用l350km長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，這就會使鋼軌扭曲變形，列車根本無法行駛.為了防止這種現象發生，所以鋼軌是一段一段鋪設的，在它們連接的地方都留著一點空隙，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的問題了，

日常生活中我們會經常遇到熱膨脹的現象.例如，在擰不開玻璃瓶的金屬蓋時，我們可將它放在熱水中浸一下，由于金屬遇熱時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了.還有，補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，否則我們在吃熱的東西或冷的東西就會感到非常痛苦.在工業生產中也常利用熱膨脹現象，例如在飛機的制造中，鉚釘和其他扣件在插入前要先在于冰中冷卻，然后通過熱膨脹現象就能讓它們形成牢固的結合.endprint