Trong chương trình vật lý lớp chúng ta sẽ được học chuyên mục sự giãn nở vì nhiệt của chất rắn. Vậy sự nở vì nhiệt của chất rắn là gì? Có những loại nở vì nhiệt nào và ứng dụng trong thực tế là gì? 

Sự giãn nở vì nhiệt của chất rắn là gì
Sự giãn nở vì nhiệt của chất rắn là gì?

Sự giãn nở vì nhiệt của chất rắn là gì?

Trong thực tế, hiện tượng giãn nở vì nhiệt của chất rắn này các bạn có thể dễ dàng bắt gặp trong cuộc sống, nhưng có thể không nhận ra hoặc chưa biết đến. Dưới đây là định nghĩa và ví dụ về hiện tượng sự giãn nở vì nhiệt:

Lý thuyết về sự nở vì nhiệt của vật rắn

Các nhà vật lý đã chứng minh được định lý liên quan tới sự giãn nở vì nhiệt của chất rắn. Nghĩa là khi nhiệt độ tăng lên thì chất rắn sẽ nở ra, còn khi nhiệt độ giảm xuống thì chất rắn sẽ co lại. Hiểu một cách đơn giản, sự giãn nở vì nhiệt của chất rắn là khi chất rắn gặp nhiệt độ sẽ nở ra, và sẽ co lại khi gặp lại.

Vật rắn có thể được cấu tạo từ các loại chất liệu khác nhau. Và mỗi chất rắn đều có sự nở vì nhiệt khác nhau. Điều này đã được các nhà khoa học thí nghiệm và có con số cụ thể để chứng minh. Chẳng hạn như 1 vật được làm bằng nhôm sẽ có sự nở nhiệt khác vật làm bằng sắt, đồng.

Thí nghiệm sự giãn nở vì nhiệt của chất rắn
Thí nghiệm sự giãn nở vì nhiệt của chất rắn

Ví dụ sự nở nhiệt của chất rắn trong cuộc sống

Do sự giãn nở vì nhiệt của chất rắn nên trong mùa hè chúng ta có thể dễ dàng thấy các vật cứng có thể bị biến thành dạng lỏng nếu ở nhiệt độ quá cao. Chẳng hạn như việc nở ra của các cánh cửa gỗ làm cho việc mở, đóng khó khăn.

Trong lĩnh vực giao thông vận tải, khi quan sát các đường ray của tàu hỏa thì ta sẽ thấy các khe hở ở giữa các thanh. Và những khe hở này sẽ giúp đường sắt không bị biến dạng, kể cả khi các thanh sắt bị giãn nở vào mùa hè.

Do đó, các nhà sản xuất, kỹ sư và thiết kế thường tính toán để tránh việc nở vì nhiệt có thể làm ảnh hưởng tới các thiết bị, vật rắn.

Phân loại sự nở vì nhiệt của chất rắn

Sự nở vì nhiệt của chất rắn là sự thay đổi về độ dài hoặc thể tích của chất rắn dưới sự ảnh hưởng của nhiệt độ cao. Chính vì khái niệm này, nên người ta thường chia sự nở vì nhiệt của chất rắn thành 2 loại là sự nở khối và sự nở dài.

sự giãn nở vì nhiệt của chất rắn
Ví dụ sự nở vì nhiệt của đường ray tàu hỏa

Sự nở dài của chất rắn

Sự nở dài là sự nở vì nhiệt của chất rắn theo chiều dài. Nghĩa là, chúng ta sẽ xem xét và đánh giá về chiều dài của vật trước và sau khi đem đi nung ở nhiệt độ cao. Nếu chiều dài của vật sau khi nung nóng tăng thêm 1 đoạn thì đây chính là sự nở dài. 

Theo nghiên cứu thì độ nở dài Dl của vật rắn có hình đồng chất sẽ tỷ lệ với độ dài ban đầu và độ tăng nhiệt độ. 

Công thức xác định độ nở dài: 

Delta l = l – l(0) = alpha. l(0).Delta t

Trong đó:

  • l(0) : Là chiều dài ban đầu của chất rắn
  • l: Là chiều dài sau khi chịu tác động của nhiệt dẫn tới sự giãn nở
  • alpha: Là hệ số nở dài, nó phụ thuộc vào bản chất của vật rắn
  • Delta t : Là độ tăng nhiệt độ của chất rắn (=t(2)-t(1))
  • Delta l : Là độ nở dài của chất rắn.

Bên cạnh đó, sau khi nhiệt độ của thanh cứng trở về như hiện trạng bạn đầu thì kích thước này cũng có thể co lại. Tức là nhiệt độ giảm đi thì cũng có thể làm cho chiều dài, kích thước của vật cứng giảm đi. Đây chính là nguyên lý sự nở vì nhiệt của vật rắn.

Sự nở khối của chất rắn

Đối với các vật có hình dáng dài thì chúng ta có thể dễ dàng đo được sự giãn nở. Nhưng đối với những vật rắn có hình cầu thì chúng ta không thể đo theo cách trên được. Và đây cũng chính là lý do mà người ta xem xét tới sự nở khối của chất rắn.

Những vật có hình dạng như hình hộp, hình cầu thì ta sẽ xem xét đến sự nở khối. Và khi nhiệt độ của các vật rắn tăng lên thì thể tích của vật rắn đó cũng sẽ tăng lên.

Công thức tính độ nở khối của chất rắn:

Delta V = V – V(0) = beta . V(0). Delta t = 3. alpha . Delta t

Trong đó:

  • V(0): Là thể tích ban đầu của chất rắn. 
  • V: Là thể tích của vật rắn sau khi giãn nở
  • beta = 3alpha: Là hệ số nở khối của chất rắn và nó sẽ phụ thuộc vào bản chất của vật rắn.
  • Delta t: Là độ tăng nhiệt độ của vật rắn
  • Delta V: Là độ nở khối của chất rắn.

Bài tập tập sự giãn nở vì nhiệt của vật rắn

Chương trình vật lý lớp 10 có rất nhiều bài tập về chuyên đề giãn nở vì nhiệt của chất rắn. Từ các dạng bài tập trắc nghiệm lý thuyết cho tới tính toán và vận dụng trong thực tế.

Lưu ý khi làm bài tập

Trong quá trình giải bài tập về sự nở vì nhiệt của vật rắn các bạn cần phải nhớ kỹ những điều sau:

  • Tất cả các chất rắn đều giãn nở vì nhiệt. Khi tăng nhiệt độ thì chất rắn sẽ nở ra, còn khi giảm nhiệt độ chất rắn sẽ co lại. Và nhiệt độ môi trường bên ngoài cũng có thể tác động tới kích thước của vật rắn.
  • Các chất khác nhau sẽ có sự nở khác nhau. Chẳng hạn như sự nở vì nhiệt của nhôm sẽ khác với sự nở vì nhiệt của sắt hoặc đồng. Do đó, khi làm bài tập cần chú ý tới các hệ số này để tính toán cho chính xác và các bài toán sẽ đều cho số liệu theo các chất.
  • Cùng 1 chất nơi nào có tác động nhiệt độ cao hơn thì sẽ nở vì nhiệt nhiều hơn. Nhiệt độ càng cao thì sự nở vì nhiệt diễn ra ở vật càng mạnh mẽ. Do đó, các bạn có thể vận dụng điều này để giải thích về sự nở trong các bài tập thực tế.

Một số dạng bài tập về sự giãn nở

Bài 1: Hai thanh kim loại, 1 thanh bằng sắt và 1 thanh bằng kẽm ở nhiệt độ 00C có chiều dài bằng nhau, sau khi tăng nhiệt độ ở 1000C thì chiều dài chênh lệch nhau 1mm. Tìm chiều dài 2 thanh sắt và kẽm ở 00C, biết hệ số nở dài của kẽm và sắt lần lượt là 3,4.110-5K-1   và 1,14.10-5K-1 

Giải: Chiều dài của thanh sắt ở 1000C là: ls = l (1 + a Dt)

Chiều dài của thanh kẽm ở 1000C là: lk = l0 (1+akDt)

Theo đề bài ta có: lk ls = 1

⇔ l0(1 + akDt) – l0(1 + asDt) = 1 

⇔  l0(a kDt a sDt)=1 

⇔ l0 =1/ (a kDt a sDt) = 0.43m

Bài 2: Một dây nhôm dài 2m có tiết diện 8mm2 ở nhiệt độ 20oC.

  1. Hãy tìm lực dây kéo để dây nhôm dài thêm 0.8mm
  2. Nếu không kéo dây mà muốn dây nhôm dài thêm 0.8mm thì cần tăng nhiệt độ của dây là bao nhiêu? Cho biết hệ số nở dài và suất đàn hồi của dây lần lượt là  a = 2,3.10-5 K-1  và E = 7.1010Pa.

bài tập về sự giãn nở của chất rắn

Bài 3: Ở 1 đầu dây thép đường kính 1.5mm có treo 1 quả nặng. Dưới tác dụng của quả nặng này dây thép bị kéo dài ra 1 đoạn bằng với khi nung nóng thêm 30 độ C. Hãy tính khối lượng của quả nặng khi biết E = 2.1011 Pa, a = 12.10-6 K-1.

bài tập về sự giãn nở của chất rắn

Bài 4: Tính lực cần đặt vào thanh thép có tiết diện S = 10cm2 để thanh thép không bị nở khi đốt nóng từ nhiệt độ 20 – 50 độ C, khi biết E = 2.1011 Pa, a = 12.10-6 K-1

bài tập về sự giãn nở của chất rắn

Bài 5: Tính độ dài của thanh đồng và thanh thép ở 0oC sao cho ở bất kỳ nhiệt độ nào thanh đồng cũng ngắn hơn thanh thép 5cm.Cho hệ số nở dài của đồng và thép lần lượt là 1, 7.10-5 K -1  và 1, 2.10-5 K -1.

bài tập về sự giãn nở của chất rắn

Trên đây là một số thông tin chia sẻ về sự giãn nở vì nhiệt của chất rắn. Hy vọng những chia sẻ trên sẽ giúp ích các em trong việc học, làm bài tập cũng như biết cách vận dụng trong thực tế. Chúc các em có buổi học thành công và cũng đừng quên truy cập vào website giamayruaxe.net để cập nhật nhiều kiến thức bổ ích khác nhé!