SỰ GIÃN NỞ THỂ TÍCH LÀ GÌ? (CÓ VÍ DỤ) - VẬT LÝ - 2025

Sự giãn nở thể tích là một hiện tượng vật lý liên quan đến sự thay đổi ba chiều của một vật thể. Thể tích hoặc kích thước của hầu hết các chất đều tăng khi chúng bị nhiệt; Đây là một hiện tượng được gọi là sự nở vì nhiệt, tuy nhiên cũng có những chất bị co lại khi bị nung nóng.

Mặc dù sự thay đổi về thể tích là tương đối nhỏ đối với chất rắn, nhưng chúng có tầm quan trọng về mặt kỹ thuật, đặc biệt là trong các tình huống mà người ta muốn kết hợp các vật liệu có độ giãn nở khác nhau.

Hình dạng của một số chất rắn bị biến dạng khi bị nung nóng và có thể nở ra theo một số hướng và co lại theo một số hướng khác. Tuy nhiên, khi chỉ có sự giãn nở ở một số kích thước nhất định, sẽ có sự phân loại cho các sự mở rộng như vậy:

• Sự giãn nở tuyến tính xảy ra khi sự thay đổi trong một kích thước cụ thể chiếm ưu thế, chẳng hạn như chiều dài, chiều rộng hoặc chiều cao của phần thân.
• Sự giãn nở bề mặt là một trong đó sự thay đổi về hai trong ba kích thước chiếm ưu thế.
• Cuối cùng, sự giãn nở thể tích ngụ ý một sự thay đổi trong ba chiều của một cơ thể.

Các khái niệm cơ bản liên quan đến sự giãn nở nhiệt

Năng lượng nhiệt

Vật chất được tạo thành từ các nguyên tử chuyển động liên tục, chuyển động hoặc dao động. Động năng (hay chuyển động) mà các nguyên tử chuyển động được gọi là nhiệt năng, chúng chuyển động càng nhanh thì càng có nhiều nhiệt năng.

Nóng bức

Nhiệt năng là nhiệt năng truyền giữa hai hay nhiều chất hoặc từ phần chất này sang phần chất khác trên quy mô vĩ mô. Điều này có nghĩa là một cơ thể nóng có thể từ bỏ một phần nhiệt năng của nó và ảnh hưởng đến một cơ thể gần nó.

Lượng nhiệt năng được truyền phụ thuộc vào bản chất của vật thể gần đó và môi trường ngăn cách chúng.

Nhiệt độ

Khái niệm nhiệt độ là cơ bản để nghiên cứu tác dụng của nhiệt, nhiệt độ của cơ thể là thước đo khả năng truyền nhiệt cho cơ thể khác.

Hai vật thể tiếp xúc với nhau hoặc được ngăn cách bởi một môi trường thích hợp (vật dẫn nhiệt) sẽ ở cùng nhiệt độ nếu không có dòng nhiệt giữa chúng. Tương tự, vật thể X sẽ có nhiệt độ cao hơn vật thể Y nếu nhiệt truyền từ X sang Y.

Tính chất cơ bản của sự nở vì nhiệt là gì?

Rõ ràng nó liên quan đến sự thay đổi nhiệt độ, nhiệt độ càng cao thì sự giãn nở càng lớn. Nó cũng phụ thuộc vào cấu trúc bên trong của vật liệu, trong nhiệt kế, độ giãn nở của thủy ngân lớn hơn nhiều so với độ giãn nở của thủy tinh chứa nó.

Nguyên nhân cơ bản của sự nở vì nhiệt là gì?

Sự gia tăng nhiệt độ có nghĩa là sự gia tăng động năng của các nguyên tử riêng lẻ trong một chất. Trong chất rắn, không giống như chất khí, các nguyên tử hoặc phân tử ở gần nhau, nhưng động năng của chúng (ở dạng dao động nhỏ, nhanh) tách các nguyên tử hoặc phân tử ra khỏi nhau.

Sự tách biệt này giữa các nguyên tử lân cận ngày càng lớn và dẫn đến sự gia tăng kích thước của chất rắn.

Đối với hầu hết các chất ở điều kiện bình thường, không có hướng ưu tiên xảy ra hiện tượng giãn nở nhiệt, và nhiệt độ tăng sẽ làm tăng kích thước của chất rắn lên một phần nhất định trong mỗi chiều.

Sự giãn nở tuyến tính

Ví dụ đơn giản nhất về sự giãn nở là sự mở rộng theo một chiều (tuyến tính). Thực nghiệm người ta thấy rằng sự thay đổi độ dài ΔL của một chất tỉ lệ với sự thay đổi nhiệt độ ΔT và độ dài ban đầu Lo (Hình 1). Chúng ta có thể trình bày điều này theo cách sau:

DL = aLoDT

trong đó α là hệ số tỷ lệ được gọi là hệ số giãn nở tuyến tính và là đặc trưng của từng vật liệu. Một số giá trị của hệ số này được thể hiện trong bảng A.

Hệ số giãn nở tuyến tính cao hơn đối với các vật liệu trải qua độ giãn nở lớn hơn cho mỗi độ C khi nhiệt độ của chúng tăng lên.

Sự giãn nở bề ngoài

Khi một mặt phẳng được đưa vào trong một vật rắn, để mặt phẳng này là mặt phẳng chịu sự giãn nở vì nhiệt (Hình 2), thì sự thay đổi diện tích ΔA được cho bởi:

DA = 2aA0

trong đó ΔA là sự thay đổi diện tích ban đầu Ao, T là sự thay đổi nhiệt độ và α là hệ số giãn nở tuyến tính.

Sự giãn nở thể tích

Như trong các trường hợp trước, sự thay đổi thể tích ΔV có thể gần đúng với mối quan hệ (Hình 3). Phương trình này thường được viết như sau:

DV = bVoDT

trong đó β là hệ số giãn nở thể tích và xấp xỉ bằng 3∝ Λ∝ τ∝ ßλ∝ 2, các giá trị của hệ số giãn nở thể tích đối với một số vật liệu được hiển thị.

Nói chung, các chất sẽ nở ra khi nhiệt độ tăng, nước là ngoại lệ quan trọng nhất đối với quy luật này. Nước nở ra khi nhiệt độ của nó tăng lên khi lớn hơn 4ºC.

Tuy nhiên, nó cũng nở ra khi nhiệt độ của nó giảm trong khoảng từ 4ºC đến 0ºC. Hiệu ứng này có thể được quan sát thấy khi cho nước vào tủ lạnh, nước nở ra khi đóng băng và rất khó lấy đá ra khỏi bình chứa do sự giãn nở này.

Ví dụ

Sự khác biệt về độ giãn nở thể tích có thể dẫn đến những hiệu ứng thú vị tại một trạm xăng. Một ví dụ là xăng nhỏ giọt vào bồn chứa vừa được đổ đầy trong một ngày nắng nóng.

Khi đổ xăng sẽ làm nguội thùng thép, cả xăng và thùng đều nở ra theo nhiệt độ của không khí xung quanh. Tuy nhiên, xăng nở ra nhanh hơn nhiều so với thép, khiến nó bị rò rỉ ra khỏi bình.

Sự khác biệt về độ giãn nở giữa xăng và bình chứa xăng có thể gây ra vấn đề khi đọc đồng hồ đo mức nhiên liệu. Lượng xăng (khối lượng) còn lại trong bình khi đồng hồ đo đến mức rỗng vào mùa hè ít hơn nhiều so với mùa đông.

Xăng có cùng thể tích ở cả hai trạm khi đèn cảnh báo bật sáng, nhưng do xăng nở ra trong mùa hè nên có khối lượng thấp hơn.

Ví dụ, bạn có thể xem xét một bình gas đầy đủ bằng thép, dung tích 60L. Nếu nhiệt độ của bình và xăng là 15ºC thì khi chúng đạt đến nhiệt độ 35ºC thì lượng xăng sẽ tràn ra ngoài là bao nhiêu?

Thùng và xăng sẽ tăng thể tích khi nhiệt độ tăng, nhưng xăng sẽ tăng nhiều hơn thùng. Vì vậy, xăng đổ sẽ là sự khác biệt trong việc thay đổi thể tích của bạn. Sau đó, phương trình khai triển thể tích có thể được sử dụng để tính toán sự thay đổi thể tích:

Thể tích tràn ra khi tăng nhiệt độ khi đó là:

Kết hợp 3 phương trình này thành một, ta có:

Từ bảng 2 thu được các giá trị của hệ số nở thể tích, thay thế các giá trị:

Mặc dù lượng xăng đổ ra này tương đối không đáng kể so với một bình 60L, nhưng hiệu quả là đáng ngạc nhiên, vì xăng và thép nở ra rất nhanh.

Thư mục

1. Yen Ho Cho, Taylor R. Sự giãn nở nhiệt của chất rắn ASM International, 1998.
2. H. Ibach, Hans Lüth Vật lý trạng thái rắn: Giới thiệu về các nguyên lý của khoa học vật liệu Springer Science & Business Media, 2003.
3. Halliday D., Resnick R., Krane K. Vật lý, Tập 1. Wiley, 2001.
4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Các yếu tố của Vật lý Cổ điển Elsevier, 2013.
5. Zemansky Mark W. Nhiệt và Nhiệt động lực học. Aguilar biên tập, 1979.