Физический механизм теплового расширения твердых тел

Увеличение размеров тела при нагревании означает увеличение среднего расстояния между составляющими его атомами. При повышении температуры кристалла увеличивается энергия тепловых колебаний атомов около их положений равновесия, а, следовательно, и амплитуда этих колебаний. Если бы колебания атомов в теле были строго гармоническими, то увеличение амплитуды их колебаний не приводило бы к изменению среднего расстояния между ними, а значит, и к тепловому расширению. Действительно, в случае гармонических колебаний каждый атом настолько же приближается к одному из своих соседей, насколько удаляется от другого. Поэтому увеличение амплитуды его колебаний не может изменить среднее расстояние между атомами.

В действительности атомы в твердом теле совершают ангармонические (т.е. не гармонические) колебания. Эта ангармоничность колебаний атомов в кристалле обусловлена несимметричностью сил притяжения и сил отталкивания, действующих между ними.

На рисунке 1, а приведена качественная зависимость сил межмолекулярного взаимодействия от расстояния между молекулами, где и - соответственно силы отталкивания и силы притяжения, а - их результирующая.

а) б)