舉個例子，天熱了大家就會散開散熱，天冷了大家可能會擁抱取暖。

物體受熱時會膨脹，遇冷時會收縮。這是由於物體內的粒子(原子)運動會隨溫度改變，當溫度上升時，粒子的振動幅度加大，令物體膨脹;但當溫度下降時，粒子的振動幅、液體、氣體受溫度的影響而縮小。

物體膨脹的原因在於，分子（離子）受到高速運動電子流的撞擊，導致分子結構趨於鬆散、組成物之間的間隔距離被迫拉長。

這裡需要首先弄清楚的是，無論是“熱”、“溫度”還是能量。它們的共同本質都是物體的運動力。

對於“熱”，更多情況下是電子高速運動力的展示，而不是質子、中子、原子和分子的高速運動力展示。電子流的運動力（熱），往往在與其他物體發生碰撞時得到體現。包括光和電磁波。

在常溫下，物體內部因化合鍵的存在，其結合力使得物體的存在狀態相對穩定。此時，只要沒有外來微觀粒子對它碰撞，它的組成物之間就不會出現間隔距離拉長的現象。物體膨脹，這就好比是打檯球，一杆子打出一個帶有高速運動動能的檯球，此球再把更多本來聚合在一起的球撞向四面八方而散裂開來，導致球與球之間的間隔距離加大（有點誇張）。球與球之間的間隔距離加大，就好比是物體的膨脹。我們進一步試想，假如檯球桌面是做成稍向中心凹陷的形狀，那麼球在地球引力作用下，會重新回到檯球桌的中央。這就好比是溫度下降後，物體又發生了收縮並回到了原來的狀態那樣。所不同的是，物體處於某個空間區域環境內，環境電子會深入物體內部連續發生來回（反射）碰撞，這就導致了物體膨脹的相對持續存在。

總之，物體膨脹的主要原因是，高速運動電子撞擊分子（離子），其撞擊力抵消了分子內的一部分電荷結合力，導致分子間的間隔距離加大而出現物體膨脹。假如運動電子的數量和頻率（溫度）不斷增高，其撞擊力必然會超過離子之間的化合鍵合力，由此出現“排斥力”大於鍵合力的情況。這種情況，如果持續發展下去，物體就不單單是膨脹了，還可能會趨向於後來液化，乃至氣化。所以，物體能隨溫度變化而發生從氣體到液體，又從液體到固體的變化。反之亦然。

這個問題本身就是錯誤的觀點。

並不是所有物體加熱後都會膨脹哦~

舉兩個簡單的例子，水和皮筋。

冰的密度比水要小，相同質量的冰的體積要大於冰的體積，這就是為什麼冰會漂在水上面，而一般而言冰的溫度要比水低一些。冰之所以比水體積大是由於水中氫鍵的作用，導致在結冰時水分子呈現出疏鬆的有序排除。

皮筋這類高分子聚合產品大多容易呈現出熱縮現象，也就是加熱後體積會收縮。這是由於皮筋裡面是各種鏈狀的大分子，而在受熱後這些大分子會發生多重彎曲，在宏觀表現就是體積變小。而產生的收縮力屬於熵力，可以認為是系統熵增的表現。

大多數物體受熱時會膨脹，遇冷時會收縮。這是由於物體內的粒子運動會隨溫度改變，當溫度上升時，粒子的振動幅度加大，令物體膨脹；但當溫度下降時，粒子的振動幅度便會減少，使物體收縮。

當然這樣解釋只能說能幫助理解，當有了當前理論解釋不通的自然要去尋找其他解釋了。

熱脹冷縮是一種常見的物理現象，幾乎每一種物體都存在熱脹冷縮現象，而且熱脹冷縮現象出現在我們日常生活中的每一個角落。

輸電線路在夏天時體積、長度增大，能明顯的看到比較松，而在冬天時則會相對較緊，這就是一種熱脹冷縮現象，而為了避免因為冷縮出現輸電線路斷開的事故，因此輸電線路的鋪設大多外冬日裡進行。

夏天的道路由於長時間曝曬，溫度較高，體積略微增大，會導致路面向上拱起，所以在水泥路面修好後，會每隔一段距離使用混凝土路面切縫機在路基上切出一天天縫隙，以減小熱膨脹對路面及道路安全的影響。

熱脹冷縮現象在廚房中也時有應用，比如把煮熟的雞蛋放入冷水中，浸泡一會，讓雞蛋殼更容易剝離，而且水的溫度越低，浸泡的時間越長，越容易剝離，這就利用到了熱脹冷縮原理——蛋殼與蛋白在冷水中都會發生“冷縮”現象，但蛋白的收縮程度更大，使蛋白與蛋殼分離。

粒子以力距，物體得以群分

這個世界由分子、原子、離子等微觀粒子組成，它們的大小很難認為改變，除非發生如核裂變、得失電子等變化，否則它們的體積基本保持不變。

雖然粒子大小很難改變，但這些粒子在排列組合形成宏觀物體時，粒子之間由於存在引力和斥力的相互作用，並不是緊密靠在一起，而是存在一定的距離，有一定的間隙，這個間隙可大可小，可有但不可無。

對於氣態物質來說，其體積的大小很大程度上由原子、分子間的距離決定，因此在做某些研究或者學習中，常把氣體看做是理想氣體，理想氣體的分子有質量，但無體積。

而對於固態和液態物質，其粒子間的作用力較強，粒子間間隙也較小。

物體都有“多動症”

既然物體都是由分子、原子等微觀粒子組成，而這些微觀粒子又是始終處於運動狀態（包括振動），因此如果從微觀層面考慮，一個處於靜止狀態的宏觀物體其實時時刻刻也在“運動”。

只不過由於運動尺度小，範圍有限，不為肉眼所察覺。

同種粒子處於不同狀態時運動狀態也不同。

固態時，粒子只在一定位置附近振動，而處於液態時，粒子除了在一定位置振動外，還會移動到其他位置，這便是液體流動性的微觀表現。當變成氣態時，由於粒子間的距離較大，作用力微弱，因此氣態粒子的運動雜亂無章、毫無規則可言。

何以為冷？何以為熱？溫度是表示物體冷熱程度的物理量，溫度高，熱；溫度低，冷。

但從微觀層面及物理學角度考慮，溫度則是用來衡量分子熱運動劇烈程度的物理量，是物體分子熱運動平均動能的標誌，熱運動越快，溫度越高，物體也就越熱；熱運動越慢，溫度越低，物體也就越冷。

於是乎，為了加熱物體，人們使用微波爐加熱食物，微波爐發出的微波使食物中的水分子振動加快，食物的溫度升高；寒冷的冬天為了讓自己的身體更加暖和，做運動。（有點跑題了，此運動非彼運動）

再回過頭來說溫度。

由於溫度是從微觀層面來定義的，而在現實生活中，為了測量一個物體的溫度也不可能搬來一個大儀器，如測量分子熱運動的劇烈程度，因此，我們只能藉助物體隨溫度變化而帶來的某些特徵變化來間接測量溫度，比如我們平常量體溫使用的“汞”溫度計和測量室溫的酒精溫度計，它們都是利用熱脹冷縮原理製作的。

為何熱會脹？冷會縮？熱脹冷縮是指物體受熱是膨脹，遇冷時收縮的物理特性。

上面已經說過，分子、原子等微觀粒子始終處於運動狀態，而且運動狀態會隨著溫度的變化而改變。

當溫度升高時，粒子的運動會更加劇烈，振動幅度加大，粒子間斥力會在振動幅度最大的那一刻會將另外一個粒子推向更遠的地方，因此粒子間的距離增加，兩個粒子間的距離增大的確不起眼，但當大量的微小變化疊加在一起，便能展現出肉眼可見的變化，比如體積增大，因此“熱脹”。

而當溫度降低使，粒子的振動沒有原來劇烈，振動幅度也更小，粒子間的引力將另一個粒子拉向自己，使得粒子間的距離減小，同理，體積減小，因此“冷縮”。

每種物體的熱脹冷縮能力不同，為了區別它們，科學家們定義了熱膨脹係數。

量度固體材料熱膨脹程度的物理量。是單位長度、單位體積的物體，溫度升高1℃時，其長度或體積的相對變化量。可用平均線膨脹係數α或平均體積膨脹係數β表示。

結構緊密的物體，膨脹係數大。

氧離子緊密堆積結構的氧化物，膨脹係數大，如氧化鎂、氧化鋁等都具有較大的膨脹係數。

固體結構疏鬆，內部空隙多，當溫度升高，粒子振幅增大，粒子間距離增加時，部分粒子被內部空隙所容納，宏觀膨脹就較小，膨脹係數也就越小。

這個世界總會有特別的存在

雖然說熱脹冷縮是物體的一種基本物理特性，但也只是對於絕大部分物體而言，並不是所有物質都始終遵循著熱脹冷縮原理，總會有一些特別的存在，比如水。

下面這張圖片是水的密度——溫度曲線

由曲線我們可以知道，水的密度在4℃時最大，而密度的定義是什麼？

因此，相同質量的物質，密度越大，體積越小，那麼，相同質量的物質，體積越小，密度就會越大，如何才能使體積減小呢？

上面已經說過，粒子的大小很難改變，但粒子間距離可以改變，粒子間距離越小，體積就會越小，因此密度就會越大，所以在4℃時，水的密度最大，這意味著水分子間距離最小。

為何 ？

在溫度低於4℃時，H2O成鏈成團的價電子的振動速率降低，趨近平面運轉，其電磁力方向趨向穩定，準備進入固體狀態。

電磁力試圖把鄰近的雙連結構元相互聯絡到相對固定的位置，宏觀的表現是粘滯力增大。這樣就導致了水分子間氫鍵之間的電磁力的對位，使分子結構元間排開位置，為凝固作準備，不像4℃或以上時擠在一起，故而佔據較大的空間。

溫度越低，價和電子運轉的越趨向與平面，電磁力對位越正，分子之間的間隙越大，參入對位排列的分子越多，佔據的空間更大。此時就形成了水的冷脹現象。

到0℃水結冰時，所有的價和電子都在相對固定的平面穩定運轉，電磁力更為穩定，使得分子之間進一步的對正位置、排列整齊，所以冰也是冷脹熱縮。

幾乎每個（但不是全部）固體都會隨著溫度的升高而膨脹。為什麼？在開始回答之前，讓我們看一下固體的通用模型 - 球和彈簧模型。

在這個模型中，固體物質是由彈簧連線的小球構成的。球是構成物質的原子，彈簧代表每個原子與其鄰居的相互作用。這些小球不是靜靜地坐在那裡，而且在不停的振動。但很明顯，重要的不是由微小的彈簧組成的，對吧？對。因此，即使此模型不完全正確，它仍然非常有用。有了這個球和彈簧模型，我們可以解釋：

具有某種固體的接觸力不是恆定的。對該物質的擠壓越多，這種恆定的力就越大。當你拉動金屬時，它會伸展。不同材料的音速不同。

這就是我們使用此模型的原因 ， 因為它在某些情況下很有用。

簡單彈簧

讓我們來看看一個簡單的球和彈簧模型不起作用的例子。如果有氫氣分子（H2），兩個球表示氫原子，而連線它們的彈簧為氫原子相互作用力。

當這兩個球靠近一起移動時，原子間彈簧會把它們分開。然後，當它們走得更遠，原子間彈簧拉它們回到一起。其結果是分子產生振盪。與任何振盪一樣，我們可以用能量來描述這一點。對於由兩個氫原子和連線彈簧組成的系統，總能量是恆定的（因為系統上沒有工作）。這意味著兩個球和動能加上彈簧勢能是恆定的。很高興能將此表示為潛在能量的情節，如下所示：

在此圖中，當一個質量來回移動時，藍線表示彈效能量。紅線是總能量。由於Et= K = Uk，動能由從總能量到潛在能量的垂直線表示。請注意，當總能量線與電位相交時，動能將為零。這是質量停止並開始向中心移動的點。

如果你增加了這種氫分子的總能量呢？在這種情況下，紅線將更高，質量將具有較大的振幅振盪。但是，原子的平均位置仍將處於相同位置（上圖中的 x = 0）。我想我應該在這裡補充一些關於溫度的東西。在球和彈簧模型中，我們可以討論動能和彈簧勢能。但在宏觀尺度上，你無法真正看到或測量這些球的動能。相反，我們透過觀察溫度來測量這種能量。從某種意義上說，溫度是球和彈簧模型中平均動能的量度。溫度越高，振幅振盪越大，平均動能越大。

簡單彈簧模型——失效

如果我繼續向分子氫新增能量（增加溫度）會發生什麼？根據上面用簡單彈簧繪製的圖，氫球會以越來越大的振幅振盪。但是，這實際上並沒有發生。相反，在一些更高的能量下，兩個氫原子不再相互作用。它們成為兩個自由氫原子，不再是分子對（這稱為分子分離）。

如果我們堅持從上面簡單的彈簧勢能圖，兩個氫原子彼此永遠不會得到無限距離。問題是動能永遠不能低於潛在的能量。由於動能為(1/2)mV²，這種情況會產生負動能。負動能意味著質量為負或速度為虛數。顯然，我們需要一種不同的潛在能量函式。

還有一件事需要考慮。如果我想把這兩個氫原子擠壓到一起呢？當然，它們太小，無法實際擠壓，但你可以想象用一塊鋁做同樣的事。把東西分開比把它們擠壓到一起要容易得多。對於兩個氫原子，你可以把它們擠壓到一起。如果你讓他們足夠接近，它們停止排斥和粘在一起。這就是核聚變中發生的情況。但是，要將這兩個原子組合在一起是非常困難的，它需要非常高的能量（真正的高溫）。真的，核聚變是一個完全不同的話題。關鍵是，當兩個原子靠近時，排斥力變得非常大。

更復雜的彈簧模型

兩個相互作用的原子的勢能有一個更復雜的模型。實際上，有幾種不同的型號。我想在這裡檢視的模型稱為莫爾斯勢能。這是一個帶有莫爾斯勢的能量草圖。

這有可能解決上述兩個問題。首先，你可以讓這兩個原子無限遠，因為右側的勢能不會變得超級大。事實上，在這個模型中，總能量高於零的原子將允許兩個原子分離。此外，當兩個原子非常接近時，潛在的能量變得非常高。這與把這些東西壓在一起非常困難的想法一致。

熱膨脹

好了，現在我們準備開始要點了。為什麼物體會膨脹呢？讓我們假設，這些原子間彈簧的行為更像莫爾斯勢，而不是一個簡單的普通入門物理學彈簧。如果是這樣的話，那麼當系統的能量（因此溫度）增加時會發生什麼？

首先，有一些重要的東西需要觀察。這裡是振盪氫在運動的兩個不同的點。

在左側的位置，原子的移動速度比位置 2（右側）快得多。請注意，平衡位置在 3 的分離處（此處沒有單位）。由於原子在遠離平衡位置時移動得更慢，因此平均而言，在圖形中平衡的右側，它們將花費更多的時間。將此與上面的簡單彈簧進行比較。在這種情況下，勢能函式的兩側具有相同的形狀。簡單的彈簧給出平衡處的平均位置 - 無論能級如何。

由於原子的平均位置比平衡更遠，隨著我增加能量（溫度），平均位置將更遠。這是不同能量水平的原子的相同勢能。我還將包括一個點來估計平均分離距離。

溫度越高，能量水平越高，在較高的能級，平均原子分離也更大。當您提高大多數物體的溫度時，它們會膨脹。當然，這是假設更復雜的球和彈簧模型適用於固體和分子氫，但它大多有效。

但是等一下！如果簡單彈簧模型不起作用，為什麼我們還要使用它？嗯，就像我之前說的， 它確實是起作用，但不是對所以的物體起作用。如果你看一個非常接近平衡位置的原子，簡單的彈簧模型和莫爾斯模型實際上非常相似。

簡單彈簧模型更易於使用，適用於某些事物。

下面是幾個熱膨脹的快速示例。

首先，在不止一本教科書中，我看到了一個熱膨脹的錯誤例子。圖片顯示一些鐵軌道扭曲和彎曲的形狀。標題說，他們扣由於熱膨脹。事實上，這種嚴重的性質幾乎總是由於地震造成的。

在上面圖片中，有一個老式的恆溫器。這是一個非常簡單的裝置。金屬線圈隨溫度升高而膨脹。線圈的這種膨脹意味著頂部的玻璃管將以不同角度傾斜。管內有兩根電線（每根兩根）和一些水銀。當管子接近水平時，液態汞會與兩根電線接觸，然後"開啟"您的空調。雖然很簡單，如果你打破它，這也是相當糟糕，因為那裡有汞。新的溫度計大多使用簡單的計算機和溫度感測器來製造非機械（不含汞）恆溫器。

還有一些恆溫器使用雙金屬條。此條帶的一側有一種金屬型別，另一側有另一種金屬型別。隨著溫度的變化，兩種金屬會膨脹不同的量，並導致條帶彎曲。

大多數物質在加熱時會膨脹，在冷卻時會收縮，這就是所謂的“熱脹冷縮”——當物質被加熱時，物質粒子的平均動能增加，運動的增加了其原子之間的平均距離。但一個特例是水並不遵循熱膨脹規則。水凍結時會膨脹，因為冰的晶體結構比液態水佔據更多的空間。

從熱脹冷縮的日常經驗說起

您是否曾注意到，當您將一瓶喝了大半的礦泉水瓶放進冰箱，幾個小時後，礦泉水瓶就會變得有點癟？瓶子裡空氣越多，這個情況就越明顯。您看到的就是熱脹冷縮的效應，或者在這種情況下是遇冷收縮的情形。“熱脹冷縮”描繪的的基本含義是物體在受熱時的熱膨脹，因為分子運動得更快，因為它們因為被加熱而獲得更大動能，因而彼此反彈得更遠，結果使得物體膨脹。反之，當物體冷卻時，物體的分子會失去動能，運動速度會變慢，它們會聚攏得更近一些，因此當物體冷卻時我們會看到收縮。

上圖：日常經驗觀察到的熱膨脹現象。液體和氣體都很容易受熱膨脹。固體則沒有那麼明顯。

日常我們看到的物質都是由原子構成的，通常多個原子結合成為分子而穩定存在。在高於絕對零（零下273攝氏度）的任何溫度下，原子都會運動。在固體當中，它們將在固定的位置上振動；在液體中，它們將彼此緊密相靠但隨時衝撞；而在氣體中，它們將以非常高的速度相互呼嘯而過，並且偶爾碰撞。當物質被加熱時，該物質中原子的平均動能增加，因而其原子和分子運動的幅度更大更劇烈。這意味著每個原子由於其運動增強將佔據更多空間，因此材料宏觀上表現為膨脹。在寒冷時原子核分子的平均動能降低，因此佔據的空間減小，材料由此收縮。

不同材料受熱膨脹的程度不同

由於原子/分子之間力的差異，某些金屬比其他金屬膨脹程度更大。在諸如鐵之類的金屬中，原子之間的相互作用力更強，因此原子運動更加困難。但在黃銅中，這種束縛就稍弱，因此原子可以更多地自由移動，於是膨脹會更明顯。

此類金屬的收縮差異可用於雙金屬帶中，該雙金屬帶由沿著鐵的側帶放置的黃銅帶組成。當被加熱時，黃銅比鐵膨脹得多，因此向鐵側彎曲。這種材料科用於諸如火警和斷路器之類的裝置中，以接通或斷開電路中的觸點。

同樣，由於原子束縛力大小的不同，膨脹和收縮的差異在不同的物質狀態下有所不同。氣體會因為其原子彼此沒有束縛而最大程度地擴充套件，因此可以自由地最大程度地提高其運動速度，因此氣體膨脹的是最明顯的。我想這個我們都有生活經驗的。

水是一個例外的例子

我們說大多數物質在加熱時會膨脹，而在冷卻時會收縮，但水是例外，特別是當水接近其冰點時。隨著水的冷卻，它會繼續收縮，但是當達到冰點時，它往往會膨脹，這就是為什麼我們看到冰總是浮在水面上的原因，因為冰的密度比周圍的水低。

但具體原因是什麼呢？

事實證明液態水分子之間存在著一種粘附作用，被稱為“氫鍵”，這導致其具有相當高的密度。但當水凍結時，它會形成晶體，分子必須按照特定的規律相互連線形成晶體，而不是像之前那樣慵懶地“黏”在一起。

上圖：水有序結晶石造成冰比水密度小的原因。

左，液態水 - 不穩定的氫鍵無序的隨機結合（高熵態）

右，冰 - 穩定的氫鍵形成有序的六邊形晶格（低熵態）

凍結時水會膨脹的這種性質可能是地球上存在的生命的重要原因之一。如果冰的密度大雨水，那麼冰就會不斷沉入海底並繼續凍結，冬天我們的海洋將會整個凍結成硬塊，但幸運的是，浮冰提供了一種保溫層，可防止我們的海洋整個凍結成固體。但大部分其他物質在加熱時通常都會膨脹，在冷卻時會收縮（但請注意水也不是唯一的反例）。

上圖：水凍結之後密度更小的特性使得海洋近表層的水最適合生物生存。

Ice - 冰

Warm water - 熱水

Cold water - 冷水

總結

熱脹冷縮只是大致正確的簡單經驗，實際上水在特定的溫度段就不滿足這一經驗結論。物質的宏觀行為與微觀特性是緊密關聯的。熱現象不過是微觀粒子平均動能的體現，但熱並不僅僅是微觀動能的代數加總，還包含了微觀粒子的資訊在內，是非常複雜和有趣的“熵”現象。

這種簡單的中學問題為什麼總能出來露面？

溫度增加，分子的振動加劇，分子的範圍增加，物體的體積增加。