Chương VII: Biến Dạng Nhiệt Của Vật Rắn, Sự Nở Dài, Sự Nở Khối

Chương VII: Biến dạng nhiệt của vật rắn, sự nở dài, sự nở khối

Chương VII: Hiện tượng mao dẫn là gì? hiện tượng dính ướt

Biến dạng nhiệt của vật rắn là biến dạng (thay đổi về hình dạng, kích thước) khi nhiệt độ môi trường xung quanh vật rắn thay đổi. Trong chương trình vật lý phổ thông ta chỉ xét đến biến dạng nhiệt của vật rắn đồng chất có tính đẳng hướng.

Chương VII: Biến dạng nhiệt của vật rắn, sự nở dài, sự nở khối

1/ thí nghiệm vật lý sự nở dài của vật rắn: Một vật rắn bằng kim loại đồng chất, một cầu được gắn chặt cố định, một đầu được nối với một bộ phận lẫy có thể mở rộng góc đo khi thanh rắn giãn nở vì nhiệt. Nung nóng thanh kim loại kim loại ta thấy góc đo mở rộng sau một khoảng thời gian điều này chứng tỏ vật rắn đã bị biến dạng khi nhiệt độ thay đổi.

Thí nghiệm vật lý minh họa sự nở dài của vật rắn khi nhiệt độ thay đổi​

Gọi lo là chiều dài ban đầu của vật rắn, l chiều dài sau khi biến dạng nhiệt của vật rắn ta có

Biểu thức xác định độ nở dài của vật rắn

Δl=l – lo=αloΔt​

trong đó

• lo: chiều dài ban đầu của vật rắn
• l: chiều dài sau khi giãn nở vì nhiệt của vật rắn
• α: hệ số nở dài phụ thuộc vào bản chất của vật rắn
• Δt=t2 – t1: độ tăng nhiệt độ của vật rắn
• Δl: độ nở dài của vật rắn

2/ Thí nghiệm vật lý về sự nở khối của vật rắn Một vật rắn có dạng hình cầu đồng chất và một vật rắn đồng chất khác hình vành khuyên tròn. Ở nhiệt độ ban đầu (nhiệt độ phòng) ta có thể đưa quả cầu qua hình vành khuyên dễ dàng do đường kính ngoài của quả cầu kim loại nhỏ hơn đường kính trong của vật rắn hình vành khuyên. Tiến hành nung nóng quả cầu kim loại bằng đèn ga, sau khi nung nóng quả cầu kim loại không thể đi qua được vật rắn hình vành khuyên, điều này chứng tỏ thể tích của của cầu đã tăng lên do nhiệt độ hay nói cách khác vật rắn đã bị biến dạng vì nhiệt. thí nghiệm vật lý chứng minh sự nở khối của vật rắn Gọi Vo thể tích ban đầu của vật rắn, V là thể tích sau khi biến dạng nhiệt của vật rắn ta có

Biểu thức độ nở khối của vật rắn

ΔV=V – Vo=β.VoΔt=3αΔt​

Trong đó:

• Vo: thể tích ban đầu của vật rắn
• V: thể tích sau khi giãn nở vì nhiệt của vật rắn
• β=3α: hệ số nở khối phụ thuộc vào bản chất của vật rắn
• Δt=t2 – t1: độ tăng nhiệt độ của vật rắn
• ΔV: độ nở khối của vật rắn

Lưu ý: trong trường hợp vật rắn là một tấm kim loại mỏng phẳng biến dạng nhiệt của vật rắn coi như biến dạng về diện tích ta có thể áp dụng công thức

Độ nở diện tích:

ΔS =S – So= β’SoΔt=2αΔt​

Trong đó:

• So: diện tích ban đầu của vật rắn
• S: diện tích sau khi giãn nở vì nhiệt của vật rắn
• β’=2α: hệ số nở diện tích phụ thuộc vào bản chất của vật rắn
• Δt=t2 – t1: độ tăng nhiệt độ của vật rắn
• ΔS: độ nở diện tích của vật rắn

Chứng minh khi nở khối thì ta có β ≈ 3α Giả sử vật rắn đồng chất đẳng hướng có dạng hình lập phương với các cạnh có chiều dài ban đầu là lo => thể tích khối lập phương ban đầu Vo=lo3 Chiều dài của các cạnh sau khi giãn nở vì nhiệt: l=lo(1 + αΔt) Thể tích của khối lập phương sau khi giãn nở vì nhiệt:

V=l3=lo3(1+αΔt)3=Vo(1+3αΔt + 3α2Δt2 + α3Δt3)​

lưu ý α rất nhỏ => α2 và α3 có thể bỏ qua =>

V = Vo(1+3αΔt)=Vo(1+βΔt)​

=> điều phải chứng minh, tương tự cho trường hợp nở thể tích ta có β’=2α

3/ Ứng dụng biến dạng nhiệt của vật rắn Trong thực tế các vật rắn bị biến dạng nhiệt khi nhiệt độ môi trường thay đổi và tất cả đều nở khối (giãn nở về thể tích) tuy nhiên tùy vào hình dạng của vật rắn sẽ ưu tiên nở khối hay nở dài, ví dụ các vật rắn có dạng thanh dài sẽ ưu tiên nở dài nhiều hơn. Sự giãn nở vì nhiệt của vật rắn là điều không thể tránh khỏi vì thời tiết trên Trái Đất được phân chia thành hai mùa rõ rệt mùa đông (nhiệt độ giảm) và mùa hè (nhiệt độ tăng cao).

Trong xây dựng người ta luôn phải tính đến trường hợp giãn nở vì nhiệt, nếu không các công trình xây dựng có thể bị cong, vênh, nứt, phá hủy do sự giãn nở không đồng đều của các vật rắn khác nhau. Trong ngành giao thông vận tải đường sắt, khi làm đường ray cho tàu chạy trong thời gian đầu các kỹ sư xây dựng đã bỏ qua tính chất vật lý biến dạng nhiệt của vật rắn, khiến cho các đoạn đường ray bị cong vênh làm mất an toàn và dẫn đến tai nạn tàu trệch bánh. Để khắc phục hiện tượng biến dạng nhiệt của vật rắn theo thời tiết, trên các đường ray thường bố trí các khe hở để thanh ray có thể giãn nở vì nhiệt mà không làm cong vênh đường ray. Không chỉ có các kim loại, vật liệu bê tông cốt thép cũng bị giãn nở vì nhiệt nên trên các nhịp cầu đường bộ người ta cũng phải tạo ra các khe hở trên cầu để cho cầu giãn nở vì nhiệt khi thời tiết thay đổi tránh bị cong, vênh và gãy.

Chuyên mục: Lý thuyết Vật Lý Lớp 10

Thảo luận cho bài: Chương VII: Biến dạng nhiệt của vật rắn, sự nở dài, sự nở khối

Bài viết cùng chuyên mục

• Chương VIII: Tại sao tủ lạnh lại có thể làm lạnh? (Đọc thêm)

• Chương VIII: Động cơ nhiệt, động cơ đốt trong 4 kỳ, 2 kỳ chạy xăng và Diesel (Đọc thêm)

• Chương VIII: Các nguyên lý nhiệt động lực học, Động cơ nhiệt.

• Chương VIII: Nội năng là gì? sự biến thiên nội năng, cơ sở nhiệt động lực học

• Chương VII: Lửa là gì? tại sao khi cháy lửa có màu xanh? hình dạng của ngọn lửa (Đọc thêm)

• Chương VII: nhiệt giai là gì? các thang đo nhiệt độ thường gặp và cách chuyển đổi (Đọc thêm)

• Chương VII: Anders Celsius nhà vật lý thiên văn tạo ra thang nhiệt giai bách phân (Đọc thêm)

• Chương VII: Các trạng thái của vật chất, sự chuyển thể (Đọc thêm)