Тепловое расширение – свойство тел изменять размеры при нагревании.

Процесс расширения тела следует рассматривать как увеличение объема при увеличении температуры при постоянном давлении. В этом случае подведенное количество теплоты расходуется на работу по увеличению расстояния между молекулами и увеличению внутренней энергии.

Характеризуется изобарным коэффициентом объемного расширения

Отсюда объем тела (твердого, жидкого, газообразного) после нагревания можно определить

В случае одномерных тел (у которых один размер значительно превосходит другие два) можно считать, что расширение происходит только вдоль большого измерения. Тогда тепловое расширение характеризуется линейным коэффициентом теплового расширения:

Механизм теплового расширения твердых тел

Если к твердому телу подвести тепловую энергию, то благодаря колебанию атомов в решетке происходит процесс поглощения им теплоты. При этом колебания атомов становятся более интенсивными, т.е. увеличиваются их амплитуда и частота. Равновесное межатомное расстояние увеличивается. Это явление и соответствует тепловому расширению.

Тепловое расширение зависит от химических связей, типа структуры кристаллической решетки, ее анизотропии и пористости твердого тела.

Материалы с очень прочными химическими связями, такие, как алмаз, карбид кремния и другие соединения с ковалентной связью, имеют низкие коэффициенты термического расширения — КТР, их равновесное межатомное расстояние изменяется незначительно.

В соединениях с ионной связью, например, МgО, NаСl и др., при повышении температуры увеличение межатомного расстояния, т.е. расширение, становится значительным.

Как правило, в веществах с ионным характером связи происходит существенный рост средних межатомных расстояний при их нагревании, или значительное тепловое расширение ионных соединений.

Наоборот, в веществах с преимущественно ковалентным характером связи (бориды, нитриды, карбиды) увеличение расстояния между атомами при нагреве сравнительно невелико, что соответствует их относительно небольшому тепловому расширению. Металлы обладают, как правило, повышенным тепловым расширением, т. к. металлическая связь, в общем, является более слабой, чем ионная и ковалентная. Наконец, органические полимеры характеризуются очень большим расширением при нагреве, обусловленным слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, действующими между молекулами, в то время как внутри молекул действуют мощные ковалентные силы.

Значения температурного коэффициента линейного расширения для материалов с разным типом химической связи

Особенности теплового расширения воды

Коэффициент объемного расширения слабо зависит от температуры. Вода является исключением и коэффициент расширения воды сильно зависит от температуры, а в интервале от 0 до 4 градусов С принимает отрицательное значение. Другими словами, объём воды уменьшается от 0 до 4 градусов С, а затем возрастает.

Опыт показывает, что вода имеет, наибольшую плотность при 4°С. Это объясняется особенностями строения кристаллической решетки льда. Если в жидком состоянии молекулы Н₂О расположены вплотную друг к другу, то при кристаллизации расстояние между ближайшими молекулами увеличивается и в кристалле между молекулами образуются «пустоты». Поэтому плотность воды больше, чем льда, и достигает наибольшего значения при 4°С. При повышении или понижении температуры от 4°С плотность воды уменьшается, объем увеличивается.