对均匀物质上孔的热胀冷缩问题的探究
辛浩
xinhao20082009@
工信1204班学号：3120000271
摘要
本文对均匀物质上的孔在温度升高和温度降低两种情况时发生的变化，从理论和实践上两方面做了分析，并从微观上找到根据，得出在物质均匀的前提下，孔是随着温度的上升而实际上是变大的。
关键词均匀介质孔热胀冷缩分子
正文
前言
大家应当还记得在《武林外传》中，白展堂是利用热胀冷缩帮李大嘴打开枷锁的那个场景吗？在电视剧中，白展堂用热水浇枷锁本想使孔变大，最后反而使孔缩小而致使李大嘴差点憋死。那么事实真的如此吗？随着温度的上升，孔真的会变小，还是变大，或者是不确定？
一．不同的观点分析
在这个问题上，可谓是“公说公有理，婆说婆有理”，网上对这个问题都提出了自己的看法，我也实际询问了多个身边的同学，得到的回答也是五花八门。
这里我简要整理不同的分析思路：
观点一：认为会收缩。
首先因为受热膨胀，孔的周围物质会受热膨胀，自己的体积会增加，这样就会导致里面的孔会减小。
观点二：认为会变大。
孔其实是从原有物质掏出一块后产生的，所以可以把问题理解成一个没有空的板，受热之后膨胀之后再从中掏出一块出来。因为板受热膨胀了，而且因为是均匀介质所以，抽象表示里面孔位置的物质也是膨胀的，所以孔应该是增大了。
二．自己的分析判断
乍一看，两者都很有道理。
经过自己的分析，我认为是这个问题可以抽象成一个圆环图形，如下图。
圆环如果从他的中心进行膨胀的话，那么横轴纵轴都会变大，所以，无论是内径还是外径都应当是变大的，所以孔是变大的。
如果从分子的角度来讲，因为热涨冷缩时，分子的间距会增大，如果把圆环内径上的分子全考虑进去，他们间距扩增之后，也会导致内径的增大，所以不难看出孔应该增大。
我还尝试了正在学的微积分中的极限思想，将圆环的内外径无限趋于相同，这样圆环就近似为一个圆边，当增大时，也应当是扩增的。综上考虑，我假设里面的孔是增大的！
三．从实践的角度出发
为了验证我的假设，我设计了如下实验。
用于测试物品：钥匙孔，热水，水笔芯。
由于不好找到大的圆孔实物，我想起用钥匙上的圆孔，因为没有很精确的测量工具，我就用水笔芯是否能平滑的穿过去来表示孔是否增大了。
首先，要选择选择钥匙孔的大小正好不能让水笔芯穿过去。
然后我从楼下打好开水，将钥匙放入开水中5min。
之后再尝试用水笔芯穿，这次水笔芯穿了过去。
从上述实验结果，我们能看出，温度上升之后，实际上孔是增大的。
四．理论分析：热胀冷缩的原理
从原子结构物质来看，物质的热胀冷缩应该是由物质原子的内部加速运动形成的。当原子受热后，核内质子和中子以及核外电子呈现为粒子运动的加速状态。因为温度是大量分子的运动得到的统计量，反应了他们的平均动能，分子平均动能增大，平均距离也随之增大，一部分动能（注意，只是一部分！）变成了势能。平均距离的增大使物体膨胀，动能换势能使温度下降。
当物质的温度降低后，原子内部的运动速度开始逐渐的下降，原子核的自转速度降低，其对核外电子的离心力作用也将逐渐的减小继而使原子核与核外电子层之间的距离变小电场加大，此时原子又会吸引外部空间的游离电子来补齐电子外层轨道的缺位电子而达到原子非等离子体的原始平衡状态。同时，物质又从液态逐渐的过渡到固态，这就是物质的热胀冷缩原理。
从微观上，那么这个问题就简化这个模型为单层刚性小球排成一圈，彼此接触，当每个小球涨大时，圈的直径当然会变大，而不是往中间挤，因为小球是刚性的（代表着材料单个原子或分子的内部作用力稳固性远大于晶格之间的化学键力）。除非你的材料热膨胀率为负数，否则孔径缩小不可能发生。当你的温度高到产生相变时（晶格结构崩解），就表示为小球不再严格排成一圈，而是乱动了，这时候形状也就失去了意义，宏观上讲，就是材料融化了，那也就无所谓孔径了。
所以如果是均与介质的话，那么受热时分子间的距离增大而膨涨（圆环的周长增大），使其内径增大，所以孔应当是增大的。
五．实际问题应用
其实在实际工程问题上，就对这个问题加以了应用，在“工程图学”这门课上，我们在学习公差代号时，老师讲的一种过盈装配就是利用加热，让孔变大，是的轴能顺利进入，冷却后就牢固的夹在一起了。例如火车的轮子：火车轮子的内芯是金属的，外轮箍也是金属的，需要密合安装。通常的安装工艺就是轮箍孔径比内芯外径稍小一点点，加热轮箍之后才能装上，冷却后轮箍孔径收缩，自然密合。
当然在实际生活工程运用中，利用孔的热胀冷缩，需要注意一系列的问题如温度加热方式等。
参考文献
《图学基础教程》高等教育出版社作者：谭建荣，张树友，陈国栋，施岳定编。
《工程机械》1987年第04期作者：解云增
