Известно, что при повышении температуры линейные размеры твердых тел увеличиваются, а при понижении – уменьшаются. Тепловым расширением называется увеличение линейных размеров тела и его объема, происходящее при повышении температуры. При нагревании твердого тела увеличиваются средние расстояния между атомами.

Линейное тепловое расширение характеризуется температурным коэффициентом линейного расширения. Предположим, что твердое тело при начальной температуре Т₀ имеет длину l₀. При нагревании тела до температуры Т его длина увеличится до l, т. е. на D l. Относительное удлинение тела составит . Величина, равная отношению относительного удлинения тела к изменению его температуры на  называется температурным коэффициентом линейного расширения:

.

Зависимость длины твердого тела от температуры имеет вид:

.

Для большинства тел можно считать, что температурные коэффициенты линейного расширения практически не зависят от температуры. Температурные коэффициенты линейного расширения материалов приведены в таблицах.

С возрастанием температуры изменяется и объем тела. В пределах не слишком большого температурного интервала объем увеличивается пропорционально температуре. Объемное расширение твердых тел характеризуется температурным коэффициентом объемного расширения b – величиной, равной отношению относительного увеличения объема  тела к изменению температуры :

,

где , V и V₀ – объемы тела при температурах T и T₀ соответственно.

Из последней формулы получим

.

Между температурными коэффициентами линейного и объемного расширения существует связь

,

которая легко устанавливается из соотношения между длиной тела и его объемом ( ).

Плавление и кристаллизация

Вещество существует в твердом кристаллическом состоянии при определенных значениях давления и температуры. В этом состоянии вещество находится до тех пор, пока кинетической энергии атомов недостаточно, чтобы преодолеть силы взаимного притяжения. Эти силы удерживают атомы на некотором расстоянии друг относительно друга, не позволяя им перемещаться. При этом атом колеблется около положения своего равновесия. При нагревании твердого тела кинетическая энергия атомов (или молекул) возрастает. При этом амплитуды колебаний могут стать настолько большими, что уже будут сравнимы с периодом решетки, произойдет нарушение дальнего порядка, кристаллическая решетка начнет разрушаться. При дальнейшем увеличении температуры происходит плавление твердых тел, т. е. переход вещества из твердого состояния в жидкое. Этот процесс изотермический. При плавлении температура тела остается постоянной. Вся подводимая извне теплота идет на разрушение кристалла. После разрушения кристалла и образования жидкости подводимая извне теплота идет на нагревание жидкости.

При плавлении кристаллическое тело находится одновременно и в твердом, и в жидком состояниях.

Температура плавления зависит от рода кристаллического тела. Для большинства кристаллических тел она повышается при увеличении атмосферного давления.

При плавлении происходит уменьшение плотности (исключением являются, например, висмут и лед – их плотность увеличивается при плавлении).

Отношение количества теплоты Q, необходимого для того чтобы перевести твердое тело в жидкость при температуре плавления, к массе этот тела называют удельной теплотой плавления:

.

В СИ удельная теплота плавления выражается в джоулях на килограмм (Дж/кг). Из последней формулы следует

.

При плавлении увеличивается внутренняя энергия тела.

Если расплав прекратить нагревать, а потом охладить до температуры плавления, то начнется кристаллизация – переход вещества из жидкого состояния в твердое кристаллическое. Этот процесс сопровождается выделением теплоты кристаллизации, которая равна теплоте плавления. Во время этого процесса происходит упорядочение движения молекул жидкости, в результате они начинают колебаться около узлов кристаллической решетки. Процесс кристаллизации изотермический. Температура кристаллизации и удельная теплота кристаллизации равны соответственно температуре плавления и удельной теплоте плавления для одного и того же тела при одном и том же давлении. Когда кристаллизация закончится, тело начнет охлаждаться.

У некоторых твердых тел, таких, например, как нафталин, иод, камфора, твердая углекислота (сухой лед), наблюдается переход сразу из твердого состояния в газообразное, т. е. происходит испарение. Переход тела из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое, называют сублимацией. Обратный процесс называют десублимацией. Все твердые тела сублимируют, но процесс сублимации у разных тел протекает с различной скоростью. При комнатной температуре скорость протекания этого процесса настолько мала, что сублимацию практически нельзя обнаружить.

Процесс сублимации протекает как при нагревании твердого тела, так и без подвода теплоты извне. Во втором случае происходит перераспределение внутренней энергии между твердым и газообразным состояниями. При сублимации тело охлаждается, так как его покидают наиболее быстрые молекулы, обладающие кинетической энергией, которая достаточна для преодоления молекулярного притяжения и отрыва молекул от поверхности твердого тела. Средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается; следовательно, тело охлаждается. Для того чтобы температура сублимирующего тела оставалась постоянной, к нему извне нужно подводить теплоту.

Вопросы для самоконтроля:

1. На какие две группы можно разделить твердые тела? Охарактеризуйте каждую из них.

2. Какие тела называют анизотропными, какие – изотропными?

3. Объясните понятие пространственной решетки.

4. Какие типы кристаллических решеток вам известны?

5. Какие виды деформаций вы знаете?

6. Объясните причину возникновения упругих сил при деформации.

7. Сформулируйте закон Гука.

8. Дайте определение понятий упругости, прочности, пластичности.

9. Объясните тепловое расширение тел с точки зрения молекулярно-кинетической теории.

10. Объясните процесс плавления с точки зрения молекулярно-кинетической теории.

11. Что называют удельной теплотой плавления?

12. Как изменяются объем и плотность вещества при плавлении?

13. Дайте определение понятия сублимации.