Sự nở vì nhiệt của chất rắn là gì?

Sự nở vì nhiệt của chất rắn chúng ta có thể bắt gặp rất nhiều trong đời sống hằng ngày. Bởi trên thực tế, khi nhiệt độ môi trường có sự thay đổi, chất rắn cũng sẽ có những biến đổi nhất định. Để hiểu rõ hơn về vấn đề này, cũng như để giúp các bạn có kiến thức chuyên môn về ứng dụng sự nở vì nhiệt của chất rắn, bài viết dưới đây sẽ cung cấp kiến thức cần thiết về sự nở do nhiệt của chất rắn.

I. Lý thuyết sự nở vì nhiệt của chất rắn

Các nhà vật lý giải thích sự nở vì nhiệt của chất rắn là khi gặp nhiệt độ cao, chất rắn sẽ nở ra, nhưng khi nhiệt độ giảm, chất rắn sẽ co lại. Vật rắn được cấu tạo nên từ nhiều vật liệu khác nhau như đồng, nhôm, sắt,... Mỗi chất liệu khác nhau thì sẽ có hiện tượng nở vì nhiệt khác nhau. 

Sự nở vì nhiệt của chất rắn được ứng dụng rộng rãi trong đời sống và thường xuyên diễn ra xung quanh chúng ta. Chất rắn có 2 loại co dãn: sự nở dài (thay đổi kích thước theo chiều dài) và sự nở khối (thay đổi kích thước theo thể tích).

1. Sự nở dài

Sự nở dài là sự nở theo chiều dài của chất rắn ở nhiệt độ khác nhau. Cụ thể hơn, nếu chúng ta xem xét và nhận thấy chiều dài của vật rắn có sự khác biệt trước và sau khi nung nóng hoặc làm lạnh, thì đây chính là sự nở dài. Theo các nhà vật lý, nở dài (dl) của vật rắn đồng chất sẽ tỷ lệ thuận với độ tăng nhiệt độ và độ dài ban đầu. 

Ngoài ra, khi nhiệt độ của vật rắn trở về trạng thái ban đầu thì kích thước của vật cũng sẽ được co lại nhỏ đi. Điều này dựa trên lý thuyết sự nở vì nhiệt của chất rắn: khi nhiệt độ giảm thì chiều dài của vật cũng theo đó mà giảm đi. Đây là nguyên lý sự nở dài của chất rắn.

2. Sự nở khối

Chúng ta có thể dễ dàng đo được sự thay đổi của vật rắn có hình dáng dài. Tuy nhiên đối với một số vật hình khối, hình cầu, chúng ta cần phải xem xét tới sự nở khối thay vì sự nở dài vì nhiệt. Cụ thể, khi nhiệt độ của các vật rắn tăng/ giảm thì thể tích của vật cũng theo đó mà tăng lên/ giảm xuống. 

II. Ứng dụng của sự nở vì nhiệt của chất rắn

 Sự nở vì nhiệt của chất rắn có rất nhiều ứng dụng trong đời sống, đặc biệt là trong lĩnh vực kỹ thuật. Ví dụ: 

• Trong chế tạo băng kép (bộ phận chính của rơ le nhiệt), khi bị đốt nóng hoặc làm lạnh chúng đều sẽ thay đổi (nở ra hoặc co lại). Do đó, người ta có thể ứng dụng để thiết kế các thiết bị tự động đóng ngắt mạch điện khi có sự thay đổi đột ngột về nhiệt độ.
• Trong lĩnh vực chế tạo máy móc hoặc xây dựng các công trình, kỹ sư phải tính toán kỹ lưỡng để khắc phục các sự cố nguy hiểm có thể xảy ra do sự nở vì nhiệt. Khi quan sát các đường ray của tàu hỏa, chúng ta có thể nhận thấy các khe hở được thiết kế giữa các thanh sắt. Điều này sẽ giúp đường ray không bị biến dạng hoặc va chạm khi nhiệt độ tăng cao vào mùa hè gây nguy hiểm đến các hành khách đi tàu.
• Ở đầu cán dao, liềm bằng gỗ thường được gắn một đai bằng sắt, được dùng để giữ chặt lưỡi liềm và lưỡi dao. Khi lắp khâu, người thợ rèn sẽ tiến hành nung nóng khâu rồi sau đó mới tra vào cán vì khi được nung nóng, nhiệt độ tăng cao, khâu sẽ nở ra nên rất dễ lắp vào cán, khi nguội đi khâu co lại siết chắc chắn vào cán.
• Trong các đường ống dẫn chất lỏng thì người ta đã sử dụng các khớp nối cao su hay các loại van khoá thép để lắp đặt. Bởi nó có thể co giản và chịu được áp lực ro chất rắn nở ra.

III. Các ví dụ về sự nở vì nhiệt của chất rắn

1. Tháp ép-phen(eiffel)

Tháp ép-phen (eiffel) ở thủ đô paris là tháp bằng chất liệu thép nổi tiếng thế giới. Người ta tiến hành đo chiều cao của tháp vào ngày 01/01/1890 và ngày 01/7/1890, kết quả cho thấy trong vòng 6 tháng tháp đã cao thêm hơn 10cm. 

2. Thí nghiệm với quả cầu kim loại 

Để thực hiện thí nghiệm, chúng ta cần chuẩn bị một quả cầu và vòng tròn, tất cả đều bằng kim loại (hình vẽ).

• Trước khi làm nóng, quả cầu bằng kim loại sẽ lọt hẳn qua chiếc vòng. Nhưng sau khi tiến hành hơ nóng quả cầu bằng đèn trong vòng 3 phút, quả cầu không thể lọt qua vòng như lúc đầu được nữa. 
• Kế tiếp, chúng ta tiến hành nhúng quả cầu kim loại đã được hơ nóng vào nước lạnh. Khi đó, quả cầu có thể chui lọt qua được chiếc vòng như ban đầu.

Như vậy, chúng ta đã cùng nhau tìm hiểu về sự nỏ vì nhiệt của chất rắn là gì? Hy vọng, bạn đọc có thêm những kiến thức bổ ích về sự nở nhiệt của chất rắn.