热胀冷缩在生活中的应用及其发展前景

赵周皓

摘 要：科学研究表明：物体受热时，物体的分子动能增强，分子变得活跃，所以表现为膨胀；物体受冷时，物体的分子动能减弱，分子受到抑制，所以表现为冷缩。热胀冷缩在日常生活中得到广泛运用，也在工业生产实践中发挥着重要影响，在现代高科技时代具有广阔的发展前景。科学正在以前所未有的速度向前发展，热胀冷缩这一物体最基本的性能也将在科学发展中不断被研究、开发和利用。

关键词：热胀冷缩；应用；发展前景

中图分类号：G63 文献标识码：A 文章编号：1673-9132（2017）01-0236-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2017.01.144

物理中的热胀冷缩，是物体的一种基本性质，大多数物体都有这种性质，在遇热后膨胀，在遇冷后缩小。那么，物体为什么会有这样的性质呢？科学技术高速发展，对这个原理的研究不断深入。

科学研究表明：物体受热时，物体的分子动能增强，分子变得活跃，所以表现为膨胀；物体受冷时，物体的分子动能减弱，分子受到抑制，所以表现为冷缩。由于受到物体内部分子的复杂性影响，这种热胀冷缩的性质也有例外。例如，水在4℃以上会热胀冷缩，而在4℃以下就会冷胀热缩，这是因为水中的氢键在4℃以下时会随着水温的下降而增多，所以水在4℃以下就会呈现出膨胀的状态。除了水，还有锑、铋、镓和青铜等物质，也会有这种不同于大多数物质的特性。

再继续研究下去，为什么物体温度发生变化时，物体分子的动能就要受到影响并发生相应的变化呢？于是，科学进一步发现，是原子内部的一种加速运动，促成了物体的这种热胀冷缩的性质。当原子受热后，原子核的自旋和外层电子的公转就会相应地受到温度的激发，就会引起原子内部的离心力和电场力的相应变化，于是核内的质子和中子以及核外的电子就会呈现出粒子运动的加速状态。这种状态体现在物质的表面，就是热胀冷缩这种自然现象。

科学研究的目的是为了实际生活中的应用，或者反过来说，实际生活中的多种实践活动也促进了科学研究的进步。

一、热胀冷缩在日常生活中的基本运用

例如，日常生活中剥鸡蛋这样一件小事，人们就应用了热胀冷缩的原理。鸡蛋刚刚煮好的时候，如果急于剥壳，蛋壳上就会粘连着很多蛋白。这个时候，如果把刚出锅的热鸡蛋放到冷水里浸一下，再剥蛋壳就容易得多了。

这里面的道理很简单，就是蛋壳和蛋白是由不同的物质组成的，不同的物质内部当然有不同的原子，不同原子受到温度激发后内部的加速运动也是不同的，所以热胀冷缩的速度和幅度也是不同的。一般情况下：密度大的物质伸缩性小，密度小的物质伸缩性大；传热慢的物质不易伸缩，传热快的物质容易伸缩。因为蛋壳与蛋白的伸缩步调不一致，就造成了蛋壳与蛋白的分离。

在生活中，这样利用热胀冷缩的现象很常见。如小学生用开水烫圆被挤凹的乒乓球，就是一个非常有趣的例子。

二、热胀冷缩在工业生产实践中的重要影响

在人们的生产生活实践中，热胀冷缩对工业影响最大。比如，铺设火车的轨道，在两截铁轨之间，要留出热胀冷缩的接缝。再如，如果一种产品是由两种材料混合生产而成，就要考虑这两种材料的热胀冷缩性质，一般情况下是越接近越好。

热膨胀系数是各种材料主要性能指标中的一个重要参数，如金属材料的热膨胀系数、混凝土的热膨胀系数等。在生产和施工中，都要充分考虑这一因素以保证产品和工程的质量。例如，在建筑行业中，混凝土的热膨胀系数直接关系着工程的质量。

举例来讲，现在的建筑大多是钢筋混凝土结构。在这种结构中，钢筋主要承受拉力，混凝土主要承受压力，不仅比钢结构节省钢材以及成本相对较低，而且具有坚固、耐久的特点，更重要的是还具有防火性能好的优点。一旦遭遇火灾，因为钢筋和混凝土的热膨胀系数不同，钢筋急剧膨胀就会挣脱混凝土，使混凝土和钢筋彻底分离，从而使建筑物彻底损毁。如在震惊世界的911事件中，美国世贸大楼双子座的损毁就是一个很好的例子。但是，普通的火灾一般没有恐怖袭击中那么高能的热源，所以热膨胀系数低的混凝土作为不良导热体，就会保护里面的钢筋不会立即受到高温的威胁。这样，在无形之中就增强了建筑物内部所有钢筋互相作用支撑的时间，增强了建筑物承受火灾的能力，也为消防员的营救争取了宝贵的时间。

三、热胀冷缩在现代高科技时代的发展前景

在现今的高科技时代，物体热胀冷缩这一性能，正在呈现出高科技的新态势。科学技术的高度发展，像微电子这样高科技和结合信息产业的核心技术，给自动化带来了跨时代的改变。一方面对材料的热膨胀性能提出了更高的要求，另一方面对热膨胀的利用也不断出现新的突破，并呈现出更加广阔的发展趋势。

（一）新的高科技材料为航空航天的发展提供了重要的保证

航空航天的发展，最先对工业材料发起了挑战，像卫星整流罩、太阳能电池阵基板这一类的高科技产品，必然对材料科学提出更高的要求。航空航天领域的材料，不但要求耐腐蚀、耐高温、耐辐射，而且要求密度小、刚性好、强度高、尺寸稳定。针对这些高科技的需要，先进复合材料得到了大幅度的发展。通过石墨纤维与树脂的复合，可以得到热膨胀系数几乎等于零的材料。可以说，这是人类对热胀冷缩这一物理性能的挑战，通过科学彻底改变了物体的性能。

（二）新的自动化装置将帮助人们解决更多的实际问题

微电子技术的高速发展，也促进了电器元件的开发和创新。比如，有些电器元件由两种热膨胀系数相差很大的材料构成，然后利用热胀冷缩的原理，通过热膨胀系数大的材料的弯曲变形，达到在某种条件下自动连接的目的。正是应用热胀冷缩这种性能，制成了多种自动化装置和仪表。日光灯的启动器就是根据这一原理制成的。启动器里有精巧的双金属片，它们能够随着温度的改变自动屈伸，开启日光灯。

（三）随着科学技术的不断发展物体的热膨胀性能将发挥更大的作用

可以设想一下，人类既然能够通过材料复合使材料的热膨胀系数基本上等于零，那么也就可以说，人类的科学手段已经能够掌握对热膨胀系数的控制。因此，展望未来，人类很有可能通过控制热膨胀系数，制造出更多自动化的装置和设备，人类社会的现代化大大地向前推进。

马克思说过：“科学就是实验的科学，科学就在于用理性的方法去整理感性的材料。”物理作为一门实用科学，它要求人们既忠于现实需要，又忠于科学规律。世界发展到今天，人类已经创造了很多惊人的奇迹，如克隆技术、网络技术、核能技术、航天技术等，科学正在以前所未有的速度向前发展。从亚里士多德创立自然科学，到牛顿在力学上的重大推进，再到现代物理学中量子力学的产生，都体现了物理学在人类生活的各个领域的重要作用。同样，热胀冷缩这一物体最基本的性能，也将在科学发展中不断被研究、开发和利用。

参考文献：

[1] 赵二丽.饮料瓶在热胀冷缩实验中的应用[J].小学科学，2014（4）.

[2] 黎慕英.《热胀冷缩》教学片段分析[J].教材教法，2008（10）.