什么是热弹性?

热弹性(Thermoelasticity)是指温度波动给固体尺寸和形状造成的变化。弹性大的材料比弹性差的材料更容易扩张和收缩。科学家会基于热弹性原理设计材料和物体,使它们能在承受温度波动时不断裂。

实际上,科学家早在100多年前就已经知道描述热弹性的方程式,但直到最近才开始做材料压力测试,以确定它们的热弹力。通过材料温度上升或下降,工程师能预测这些材料在不同温度时的扩张或收缩率。这些信息在建筑材料或承重结构之间需要紧密结合时很重要。了解热弹性原则能帮助工程师设计的结构在一定温度范围内保持完整性。

热弹性原理给工程师设计各种对象带来不同影响。例如,由于知道混凝土在受热时会扩张,因此会在人行道的板砖之间留出缝隙。如果没有这些空间,混凝土就没有扩展空间,会给材料带来巨大压力,造成裂缝或破洞。同样,桥梁被设计成带有伸缩接头,能让组件在受热时扩张。

所有材料都会在受热时弹性扩展,在遇冷时收缩。用热弹性公式描述的扩展是由材料分子活动增加的。这些分子在固体加热时保持相互连接,但分子键会膨胀,使分子相互移动并导致材料成长。相反,在材料冷却时,分子移动的少,并且键会将它们彼此拉的很靠近。

热弹性原理指出温度增加导致的扩张会造成物体向不同方向扩展。混凝土砖在受热时会向上,向下和彼此之间扩展。杯子或其它容器也会以这种方式向各个方向扩展,并因此而增加总容量。在研究热弹性时,会使用特殊的化学公式描述物体在温度变化时的形状变化。