Hầu như tất cả các chất (rắn, lỏng và khí) đều nở ra khi nóng lên và co lại khi lạnh đi. Sự nở vì nhiệt của một chất gọi là sự nở vì nhiệt của chất đó. Có ba loại giãn nở: tuyến tính (tăng chiều dài), bề ngoài (tăng diện tích) và giãn nở lập phương (tăng thể tích). Chất rắn có hình dạng xác định nên khi nung nóng chất rắn nở ra theo mọi hướng tức là chiều dài, diện tích và thể tích đều tăng khi nung nóng. Chất lỏng và chất khí chỉ thể hiện sự mở rộng hình khối. Khi đun nóng chất lỏng nở ra nhiều hơn chất rắn, chất khí nở ra nhiều hơn chất lỏng. Trong bài học này, bạn sẽ học:
Khi nung nóng một chất rắn, động năng trung bình của các phân tử chất rắn tăng. Chúng bắt đầu dao động quanh vị trí trung bình của chúng với biên độ lớn. Kết quả là vị trí trung bình của chúng thay đổi sao cho sự phân tách giữa các phân tử giữa các phân tử tăng lên, do đó chất rắn nở ra theo mọi hướng.
Thí nghiệm: Lấy một quả bóng kim loại và một chiếc nhẫn.
i) Sắp xếp quả cầu kim loại và chiếc nhẫn như trong hình bên dưới (hình a). Quả bóng kim loại chỉ trượt qua vòng khi cả hai đều ở nhiệt độ phòng.
ii) Bây giờ đốt nóng quả cầu kim loại trên đèn đốt (hình b)
iii) Đặt lại vòng và cố gắng chuyền bóng qua vòng. Bạn sẽ nhận thấy rằng quả bóng bị mắc kẹt.
Lý do: Khi nung nóng, quả bóng nở ra và có đường kính lớn hơn.
Bây giờ hãy để quả bóng nguội đi và cố gắng chuyền quả bóng qua vòng một lần nữa, bạn sẽ nhận thấy rằng quả bóng bây giờ đã đi qua vòng. Điều này là do khi làm mát, quả bóng co lại.
Mở rộng tuyến tính
Bất cứ khi nào có sự gia tăng chiều dài của vật thể do nóng lên thì sự giãn nở đó được gọi là sự giãn nở tuyến tính. Chúng ta hãy xem xét sự giãn nở tuyến tính trong một thanh kim loại. Chiều dài của thanh kim loại tăng lên khi nóng lên phụ thuộc vào 3 yếu tố sau:
Chú ý: Độ dài của thanh tăng lên khi nung nóng không phụ thuộc vào thanh rỗng hay đặc
Sự giãn nở bề mặt của chất rắn
Khi nung nóng một tấm kim loại thì chiều dài và chiều rộng của nó đều tăng. Điều này làm tăng diện tích của tấm. Sự gia tăng diện tích của tấm phụ thuộc vào:
Sự nở khối của chất rắn
Khi nung nóng vật rắn thì chiều dài, chiều rộng, chiều dày của nó đều tăng nên thể tích tăng. Bằng thực nghiệm người ta nhận thấy độ tăng thể tích của vật rắn phụ thuộc vào:
| Nếu L 0 là chiều dài của một thanh ở 0 o C và chiều dài của nó ở t o C là L t , thì độ dài tăng thêm được cho là L t - L 0 = L 0 α t α là hệ số giãn nở tuyến tính phụ thuộc vào vật liệu làm thanh. Đơn vị của nó là per o C |
| Nếu A 0 là diện tích của một tấm ở 0 o C và diện tích của nó ở t o C là A t , thì diện tích tăng lên là A t - A 0 = A 0 β t β là hệ số giãn nở bề mặt khác nhau đối với các chất rắn khác nhau. |
| Nếu V 0 là thể tích của vật rắn ở 0 o C và diện tích của nó ở t o C là V t , thì sự tăng thể tích được cho là V t - V 0 = V 0 γ t γ là hệ số giãn nở lập phương khác nhau đối với các vật liệu khác nhau. |
Mối quan hệ giữa α, β và γ: α : β : γ = 1 : 2 : 3 |
Hệ số nở dài của một số chất rắn
| Vật chất | Hệ số giãn nở tuyến tính ( x 10 -6 per o C) |
| Nhôm | 24 |
| Thau | 19 |
| Đồng | 17 |
| Sắt | 12 |
| biến đổi | 0,9 |
Sự nở vì nhiệt của chất rắn trong đời sống hàng ngày
1. Đường ray: Thanh ray của đường ray xe lửa được làm bằng thép. Trong khi đặt đường ray trên các cây gỗ hoặc bê tông, một khoảng trống nhỏ được để lại giữa các chiều dài liên tiếp của đường ray như trong hình bên dưới. Nguyên nhân là do vào mùa hè, do nhiệt độ không khí tăng lên, mỗi thanh ray có xu hướng tăng chiều dài nên giữa hai thanh ray sẽ để lại một khoảng trống, nếu không, thanh ray sẽ bị uốn cong sang một bên.
2. Dây cáp điện và dây điện thoại: Dây cáp điện trong đường dây tải điện và dây điện thoại giữa hai cực có thể bị đứt vào mùa đông do bị co lại và có thể bị chùng vào mùa hè do bị giãn ra. Do đó, trong khi giăng dây giữa hai cực, cần lưu ý rằng vào mùa hè, chúng phải được giữ lỏng một chút để chúng không bị đứt vào mùa đông do co lại. Và trong khi đặt chúng vào mùa đông, chúng được giữ chặt để chúng không bị chùng xuống quá nhiều vào mùa hè do giãn nở.
3. Đồ thủy tinh dùng trong nhà bếp: Đồ thủy tinh dùng trong nhà bếp thường được làm bằng thủy tinh pyrex. Lý do là thủy tinh pyrex có hệ số giãn nở lập phương rất thấp nên đồ thủy tinh khi đun nóng không bị giãn nở và nứt vỡ.
Giống như chất rắn, chất lỏng cũng thường nở ra khi nóng lên. Chất lỏng nở ra nhiều hơn so với chất rắn khi đun nóng. Vì chất lỏng không có hình dạng xác định mà có thể tích xác định nên chất lỏng chỉ có sự nở ra lập phương.
Ngoại lệ: Nước co lại khi đun nóng từ 0 o C đến 4 o C và sau đó vượt quá 4 o C khi đun nóng thêm thì nước nở ra. Điều này được gọi là hành vi bất thường của nước.
Thí nghiệm: Lấy một cái bình, đổ nước vào 3/4 bình rồi đậy nắp lại. Giữ nó trên ngọn lửa. Bạn sẽ nhận thấy rằng khi nước được đun nóng ngày càng nhiều, mực nước trong bình sẽ tăng lên.
Lưu ý: Khi đun nóng chất lỏng chứa trong bình, đầu tiên bình bị nóng lên và do đó, bình sẽ nở ra do mực chất lỏng hạ xuống. Sau đó, khi nhiệt truyền đến chất lỏng, nó sẽ nở ra, do đó mức chất lỏng sẽ tăng lên. Như vậy, sự giãn nở thực sự của chất lỏng lớn hơn sự giãn nở quan sát được.
Các yếu tố ảnh hưởng đến sự nở khối của chất lỏng
Sự nở ra lập phương của chất lỏng phụ thuộc vào ba yếu tố sau:
Nếu V 0 là thể tích chất lỏng ở 0 o C và V t là thể tích chất lỏng ở t o C, thì thể tích chất lỏng tăng thêm là
V t - V o = V 0 γ t
trong đó γ là hệ số giãn nở lập phương của chất lỏng .
Hệ số nở khối của một số chất lỏng
| Chất lỏng | Hệ số nở khối γ ( x 10 -4 per o C) |
| thủy ngân | 1.8 |
| Nước (trên 15oC ) | 3.7 |
| Dầu parafin | 9,0 |
| Rượu | 11,0 |
Ứng dụng sự nở vì nhiệt của chất lỏng trong đời sống
Sự giãn nở nhiệt của chất lỏng được sử dụng trong hoạt động của nhiệt kế thủy ngân. Nhiệt kế thủy ngân bao gồm một ống mao dẫn có một đầu bịt kín và một bầu hình trụ ở đầu kia. Bóng đèn chứa đầy thủy ngân. Thủy ngân là một chất lỏng sáng bóng, vì vậy mức độ của nó có thể dễ dàng nhìn thấy trong ống mao dẫn. Khi bầu nhiệt kế tiếp xúc với vật nóng, thủy ngân sẽ nở ra. Mức thủy ngân dâng lên trong ống mao dẫn. Các ống được chia độ để đọc nhiệt độ. Đối với mỗi độ tăng nhiệt độ C, thủy ngân sẽ giãn ra theo cùng một thể tích, do đó việc hiệu chuẩn nhiệt kế trở nên dễ dàng hơn.
Khí cũng mở rộng khi chúng được làm nóng. Chất khí nở ra nhiều hơn chất lỏng và chất rắn. Giống như chất lỏng, chất khí không có hình dạng nhất định nên chúng chỉ có sự nở ra theo phương diện lập phương. Tuy nhiên, các khí được chứa trong một thể tích cố định không thể giãn nở - và do đó, nhiệt độ tăng dẫn đến tăng áp suất.
Thí nghiệm: Lấy một cái chai rỗng. Gắn một quả bóng cao su vào cổ của nó. Ban đầu, quả bóng bị xì hơi. Đặt chai vào chậu nước có chứa nước sôi. Sau một thời gian, bạn sẽ nhận thấy rằng quả bóng bị phồng lên như thể hiện trong hình bên dưới. Điều này cho thấy rằng khi đun nóng, không khí chứa trong chai nở ra và lấp đầy quả bóng khiến quả bóng phồng lên.
Ứng dụng sự nở vì nhiệt của chất khí trong đời sống hàng ngày
Khinh khí cầu: Khinh khí cầu hoạt động dựa trên nguyên tắc chênh lệch giãn nở vì nhiệt giữa chất khí và chất rắn. Bởi vì không khí nóng bên trong túi bóng tăng kích thước nhanh hơn so với hộp đựng, nó kéo căng túi để nó nở ra và chiếm chỗ không khí lạnh hơn (nặng hơn) bên ngoài túi. Sự khác biệt giữa mật độ không khí bên trong và bên ngoài túi làm cho quả bóng bay lên. Làm mát không khí bên trong túi làm cho quả bóng bay xuống.
Khi một chất được nung nóng, thể tích của nó tăng lên trong khi khối lượng của nó không đổi, do đó, mật độ của chất (là tỷ lệ khối lượng với thể tích của nó), giảm khi nhiệt độ tăng. Trong trường hợp chất rắn, sự giảm mật độ không đáng chú ý nhưng trong trường hợp chất lỏng và chất khí, khi nhiệt độ tăng, thể tích tăng một lượng đáng kể, và do đó mật độ giảm khá rõ rệt.
