熱膨脹玻璃

零膨脹玻璃是指熱膨脹系數(shù)較小的玻璃。玻璃與晶體的不同之處在于原子和離子的空間排列是不規(guī)則的。因此，其熱物性從理論上不能預(yù)測，表現(xiàn)出各種異?，F(xiàn)象。例如玻璃的熱膨脹系數(shù)隨溫度降低而變小，但從SiO₂網(wǎng)絡(luò)形成物成分來看，玻璃在低溫時有時也變?yōu)樨摰臒崤蛎?。低膨脹玻璃的特點之一是耐熱沖擊性強，即耐急冷急熱。

高膨脹玻璃是具有較高熱脹性的玻璃，高膨脹玻璃用于磁頭鐵氧體鐵芯的封接。鐵氧體是由xFe₂O₃，（x是除Fe以外的金屬離子）表示的化合物，因金屬離子種類不同，具有（90一120）X10^-7K^-1的熱膨脹系數(shù)。

磁頭是由纏繞著線圈的鐵氧體鐵芯和其鐵芯與磁帶(或磁盤)接觸部分設(shè)計的間隙而構(gòu)成。在線圈上通入表示音像等信息的電氣信號，對應(yīng)這種信號在鐵芯中產(chǎn)生磁通。這些信號在接觸間隙的移動磁帶上產(chǎn)生無數(shù)微小的磁石，同時記錄了殘留磁化 。

（1）低膨脹玻璃的特點之一是耐熱沖擊性強，即耐急冷急熱。派萊克斯玻璃組成是以SiO2為主成分，其化學(xué)耐久性長，熱膨脹系數(shù)是普通玻璃的1/3。因此成為耐熱玻璃，用于燒杯等理化器皿、餐具、廚具、咖啡保溫壺等。派萊克斯玻璃可耐100℃程度的急冷急熱，但一般不能承受200℃以上的熱沖擊。

石英玻璃與上述玻璃相比，熱膨脹系數(shù)更小，玻璃轉(zhuǎn)變溫度也高，因此將其紅熱的制品放入冷水中也不會炸裂。即使加熱至1100℃高溫也幾乎不變形。因具有這些優(yōu)良的耐熱性能，石英玻璃在許多方面具有多種用途。如在高溫下使用的理化器皿和精密的測量儀器，以及水銀燈等特殊電光源玻璃都使用石英玻璃。在高溫下進行精密測量要求熱膨脹系數(shù)盡量接近于零，需要耐熱性高的玻璃。DTA、DSC、TMA等熱分析儀器必須使用石英玻璃。由于石英玻璃具有優(yōu)良的熱特性、包括其他優(yōu)良的功能特性，因此它成為最具代表性的功能玻璃。

（2）高膨脹玻璃用于磁頭鐵氧體鐵芯的封接。玻璃是在充分軟化時流動潤濕鐵氧體，并填充在數(shù)毫米寬的狹小間隙溝中。要求將玻璃加熱至極低黏度的溫度下，玻璃在高溫時會侵蝕鐵氧體，擴大間隙溝的間隔，使磁頭特性變差。因此需要侵蝕性小的玻璃。

鐵芯片滑動面研磨后需洗凈，受洗凈液的侵蝕，玻璃將被損壞，影響滑動面的平滑性。因此，要求玻璃的耐水性好。另外，磁頭使用中滑動面是逐漸磨損，鐵氧體和玻璃的耐摩擦性不一致將使磁頭特性變差，要求玻璃與鐵氧體具有同一程度的良好摩擦性 。

固體的熱膨脹與原子或離子的熱振動，特別是非諧和振動有關(guān)。熱力學(xué)溫度處于OK時，原子不發(fā)生振動，對應(yīng)能量曲線底部的能量狀態(tài)有一結(jié)合長度。溫度升高，能量水平提高，原子開始振動。結(jié)合能曲線的形狀左右對稱，即處于諧和振動時，原子即使發(fā)生振動，平均原子間距也不會變化，不產(chǎn)生熱膨脹。但實際上，能量曲線左右不對稱，產(chǎn)生非諧和振動。因此，隨著溫度升高，原子振動加大，原子間結(jié)合距離加長產(chǎn)生熱膨脹。能量曲線的底部接近于左右對稱的放射線。因此，完全結(jié)晶的固體熱膨脹系數(shù)在絕對零度時為零，隨溫度升高，結(jié)合能變大，能量曲線接近深處的放射線，即產(chǎn)生諧和振動，熱膨脹系數(shù)變小 。

物體由于溫度改變而有脹縮現(xiàn)象。其變化能力以等壓(p一定)下，單位溫度變化所導(dǎo)致的體積變化，即熱膨脹系數(shù)表示熱膨脹系數(shù)α=ΔV/(V*ΔT)，式中ΔV為所給溫度變化ΔT下物體體積的改變，V為物體體積。

嚴格說來，上式只是溫度變化范圍不大時的微分定義式的差分近似；準確定義要求ΔV與ΔT無限微小，這也意味著，

熱膨脹系數(shù)在較大的溫度區(qū)間內(nèi)通常不是常量。溫度變化不是很大時，α就成了常量，利用它，可以把固體和液體體積膨脹表示如下：

Vt=V0(1 3αΔT)，

而對理想氣體，Vt=V0(1 0.00367ΔT)；Vt、V0分別為物體末態(tài)和初態(tài)的體積。

對于可近似看做一維的物體，長度就是衡量其體積的決定因素，這時的熱膨脹系數(shù)可簡化定義為：單位溫度改變下長度的增加量與的原長度的比值，這就是線膨脹系數(shù)。

對于三維的具有各向異性的物質(zhì)，有線膨脹系數(shù)和體膨脹系數(shù)之分。如石墨結(jié)構(gòu)具有顯著的各向異性，因而石墨纖維線膨脹系數(shù)也呈現(xiàn)出各向異性，表現(xiàn)為平行于層面方向的熱膨脹系數(shù)遠小于垂直于層面方向。

宏觀熱膨脹系數(shù)與各軸向膨脹系數(shù)的關(guān)系式有多個，普遍認可的有Mrozowski算式：α=Aαc (1-A)αa

αc,αa分別為a軸和c軸方向的熱膨脹率，A被稱為“結(jié)構(gòu)端面”參數(shù)。

熱膨脹與溫度熱容

格律乃森定律： 熱膨脹系數(shù)與定容比熱容成正比，它們有相似溫度依賴關(guān)系，在低溫下隨溫度升高急劇增大，而到高溫則趨于平緩。

熱膨脹與結(jié)合能熔點

熔點較高的金屬具有較低的膨脹系數(shù)。線膨脹系數(shù)和熔點的關(guān)系可由經(jīng)驗公式表示如下：

α₁T_m=0.022

原子間的結(jié)合力強，勢能曲線深而狹窄，升高同樣的溫度，質(zhì)點振幅增加的較少，熱膨脹系數(shù)小。

壓力保持不變時，由于溫度的改變，造成固體、液體和氣體發(fā)生長度或體積變化的現(xiàn)象。膨脹的程度用膨脹系數(shù)表示。

熱膨脹固體

固體的線膨脹系數(shù)定義 l是試件的長度，T是溫度,p是壓強。對于每種固體，都有一個德拜特征溫度,低于此特征溫度時,α 隨溫度強烈變動；高于此特征溫度時,α實際上是常數(shù)。處在室溫的許多普通材料，其溫度都接近或高于各自的特征溫度，其長度隨溫度變化的規(guī)律,可用近似式l=lo(lαt)表示，式中lo為零攝氏度(0°C)時的長度，t是攝氏溫度。

從微觀看，固體的熱膨脹是固體中相鄰原子間的平均距離增大。晶體中兩相鄰原子間的勢能是原子核間距離的函數(shù),勢能曲線是一條非對稱曲線。在一定的振動能量下，兩原子的距離在平衡位置附近改變著，由于勢能曲線的非對稱性,其平均距離r大于平衡時的距離ro；在更高的振動能量時，它們的平均距離就更大。由于振動的能量隨溫度升高而增大，所以兩原子間的平均距離也隨溫度升高而增大，結(jié)果使整塊固體脹大。

E.格臨愛森理論指出，膨脹系數(shù)同固體比熱容成正比（見非諧相互作用），在低溫下（小振幅振動）膨脹系數(shù)趨于零。

純晶體沿不同的軸向可以有不同的α 值，多晶體幾乎沒有各向異性的效應(yīng)。

固體的面膨脹系數(shù)定義為 式中A為試件的面積。

固體的體膨脹系數(shù)定義為 式中V為試件的體積。

對于各向同性固體，α、β、γ之間的關(guān)系為 β=2α,　γ=3α。

熱膨脹液體與氣體

由于液體和氣體沒有固定的形狀，只有體積隨溫度的變化才有意義，所以常用體膨脹系數(shù)表示它們的膨脹程度。體膨脹系數(shù)為 。

氣體的γ 可通過理想氣體狀態(tài)方程來計算，其值與溫度和壓強有關(guān)。

液體的γ 與壓強近似無關(guān)，主要取決于溫度。液體的γ 雖然可以在相當(dāng)大的溫度范圍內(nèi)取作常數(shù)（如膨脹式溫度計），但也有反常情況。例如，溫度從0°C到4°C時,水的體積縮小了；在4°C以上，它又隨溫度上升而膨脹。前者稱為水的反常膨脹。