热胀冷缩有妙用

金仲辉

读者浩浩问：“在夏天和冬天用同一把尺子量同一物体的长度，在冬天测量的结果为何偏大？”

这个问题涉及同体材料的热膨胀问题.热膨胀问题既包括我们通常所说的热胀冷缩现象，也包含少数固体材料会热缩冷胀.为了更好地回答这位中学牛的问题，我们首先要定义一个物理量——固体材料的线膨胀系数a.它被定义为温度T升高（或降低）l℃时，固体材料长度2的相对变化量Δι/ι，即a=Δι/ιΔΤ，它的单位为“℃—l”.例如，钢的a=llxl0-6℃-1，铝的a=23xlO-℃-1，铜的a=17xl0一6℃-1，普通玻璃的a=9xl0-6℃一.由线膨胀系数的定义可知，对于热缩冷胀的材料，它的a值为负值.

在冬天用一把尺子测量一个物体的长度，是否比在夏天测量所得的结果要大一些呢？回答是不确定的，这主要取决于尺子和被测量物体是由什么固体材料制成的.如上所述，铝和铜的线膨胀系数均大T钢的线膨胀系数，那就是说铝和铜的热胀冷缩效应比钢强，同理普通玻璃的热胀冷缩效应比钢弱，于是在冬天用钢尺测量铝管和铜管长度要比在夏天测量时偏小，而测量普通玻璃管长度要偏大，

现在我们要问，究竟有多大的偏离量呢？假定炎热的夏天和寒冷的冬天温差△T=60℃，由线膨胀系数定义，计算出lm钢尺的长度变化量△ι=6.6×10-4m=0.66mm.Im普通玻璃管的长度变化量△ι=5.4xl0-4m=0.54mm.由以上计算结果可得出，Im长钢尺和Im长普通玻璃管，在冬、夏气温差60℃下，它们的变化量之差仅为0.12mm.如果测量时的气温差小于60℃.且钢尺的最小刻度为1mm，那么在冬天和夏天用同一把钢尺测量约Im长的普通玻璃管，所得的长度结果实际上是相同的.

由上述讨论可看出，长约Im的固体材料在冬、夏里的长度变化是很小的.如果材料的长度很长.它的变化量就非常可观.例如，北京至上海的铁路里程约1350km，如果冬、夏的最大气温差为60℃.那么钢轨总长度变化将为891m.如果用l350km长的钢轨从北京一直铺到上海的话，那么到r炎热的夏天，钢轨要膨胀伸长，这就会使钢轨扭曲变形，列车根本无法行驶.为了防止这种现象发生，所以钢轨是一段一段铺设的，在它们连接的地方都留着一点空隙，这就使钢轨有了自由伸缩的余地.靠这些空隙，就能解决寒冷的冬天和炎热的夏天钢轨相差891m的问题了，

日常生活中我们会经常遇到热膨胀的现象.例如，在拧不开玻璃瓶的金属盖时，我们可将它放在热水中浸一下，由于金属遇热时比玻璃瓶有更大的热膨胀性能，所以金属盖就可以很轻松地打开了.还有，补牙材料的热膨胀性能必须与牙齿本身的热膨胀性能相吻合，否则我们在吃热的东西或冷的东西就会感到非常痛苦.在工业生产中也常利用热膨胀现象，例如在飞机的制造中，铆钉和其他扣件在插入前要先在于冰中冷却，然后通过热膨胀现象就能让它们形成牢固的结合.endprint