Причина теплового расширения твердых тел

Увеличение размеров тела при нагревании означает увеличение среднего расстояния между составляющими его частицами. При повышении температуры кристалла увеличивается энергия тепловых колебаний частиц около их положений равновесия, а, следовательно, и амплитуда этих колебаний. Если бы колебания частиц 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 каждая частица настолько же приближается к одной из своих соседок, насколько удаляется от другой. Поэтому увеличение амплитуды ее колебаний не может изменить среднее расстояние между частицами.

В действительности частицы в твердом теле совершают ангармонические (т.е. не гармонические) колебания. Эта ангармоничность колебаний частиц 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)