Vật lý 6: Lý thuyết sự nở vì nhiệt của chất rắn (+ giải đáp bài tập dễ hiểu)

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 sẽ có hiện tượng nở vì nhiệt khác nhau. 

Sự nở vì nhiệt của chất rắn được ứng dụng rất nhiều trong đời sống và diễn ra thường xuyên 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).

Ví dụ về sự nở vì nhiệt của chất rắn

Ví dụ 1 : Tháp epphen

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. 

Chúng ta có thể áp dụng lý thuyết về sự nở vì nhiệt của chất rắn để lý giải về sự thay đổi này. 

Cụ thể, tháng 1 ở Pháp đang là mùa đông, nhiệt độ vẫn còn tương đối thấp. Còn tháng 7 sẽ rơi vào tháng của mùa hè, nhiệt độ cao hơn rất nhiều so với tháng 1. Mặt khác, tháp Ép-phen được tạo nên bởi chất liệu là thép. Do đó, tháp sẽ giãn nở theo sự thay đổi vì nhiệt, ảnh hưởng đáng kể đến chiều cao của tháp. Vào tháng 7, tháp sẽ nở và cao hơn mùa đông từ 10 - 15 cm.

Ví dụ 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.

Lý giải cho hiện tượng này, chúng ta có thể áp dụng lý thuyết về sự giãn nở vì nhiệt của chất rắn: Quả cầu khi được hơ nóng sẽ nóng lên, khiến thể tích tăng lên, nên nó không thể lọt qua được chiếc vòng ban đầu. Mặt khác, khi được nhúng vào nước lạnh, nhiệt độ của quả cầu giảm đi đáng kể, khiến quả cầu co lại, thể tích nhỏ hơn lúc hơ nóng. Vì vậy, quả cầu có thể đi lọt qua chiếc vòng ban đầu.

Nêu kết luận sự nở vì nhiệt của chất rắn

Sau khi đề cập đến lý thuyết và các ví dụ cụ thể, chúng ta có thể kết luận các ý chính về hiện tượng nở vì nhiệt của chất rắn như sau:

• Chất rắn sẽ nở ra khi nhiệt độ tăng lên; còn khi nhiệt độ giảm đi, chất rắn sẽ co lại. 

• Các chất rắn khác nhau sẽ có sự nở vì nhiệt khác nhau. 

So sánh sự nở vì nhiệt của chất rắn 

Sự nở vì nhiệt có sự khác nhau giữa các loại chất rắn. 

Ví dụ một vật được làm bằng sắt sẽ giãn nở vì nhiệt khác với một vật cấu tạo bằng nhôm. 

Bảng số liệu sau đây đã được các nhà vật lý nghiên cứu và chứng minh, nói lên hệ số giãn nở khác nhau của từng loại chất liệu. 

Đối với chất rắn, người ta sẽ phân biệt dựa trên độ nở dài và độ nở khối. Nếu chúng ta nhận thấy có sự biến đổi về chiều dài của chất rắn thì đây là sự nở dài.

Còn nếu thể tích vật rắn thay đổi ở mỗi nhiệt độ khác nhau, thì đây là sự nở khối. Tuy nhiên, trên thực tế, trong các bảng số liệu cụ thể, người ta sẽ thường ghi hệ số nở dài của chất liệu thay vì ghi hệ số nở khối.

Sự nở dài của chất rắn 

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.

Sự nở khối của chất rắn 

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. 

Xem thêm: Lý thuyết vật lý 6 bài 19 sự nở vì nhiệt của chất lỏng (Giải bài tập dễ hiểu)

Ứng dụng sự nở vì nhiệt của chất rắn trong cuộc sống 

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.

Bài tập sự nở vì nhiệt của chất rắn lớp 6

Bài 1: Một lọ thủy tinh được đậy kín bằng nút thủy tinh. Khi nút bị kẹt, theo bạn phải làm như thế nào để lấy nút ra khỏi lọ một cách dễ dàng mà không gây bể hoặc làm hỏng lọ thủy tinh?

A. Hơ nóng cổ lọ.

B. Hơ nóng nút

C. Hơ nóng đáy lọ.

D. Hơ nóng cả nút và cổ lọ.

Hướng dẫn: Chọn đáp án A vì khi được hơ nóng, cổ lọ sẽ nở ra do nhiệt độ tăng lên làm lỏng nút. Khi đó chúng ta sẽ mở được nút thủy tinh mà không làm hỏng lọ. 

Bài 2: Băng kép hoạt động dựa trên hiện tượng:

A. Chất rắn co lại vì lạnh.

B. Chất rắn có dãn vì nhiệt ít hơn chất lỏng.

C. Các chất rắn khác nhau co dãn vì nhiệt khác nhau.

D. Chất rắn nở ra khi nóng lên.

Hướng dẫn: Chọn đáp án C vì các chất rắn khác nhau co dãn vì nhiệt khác nhau.

Bài 3: Vì sao khoảng cách giữa các viên gạch được lát bên ngoài trời có khoảng cách lớn hơn so với khoảng cách các viên gạch lát bên trong nhà?

A. Vì lát bên trong nhà như vậy sẽ đẹp hơn.

B. Vì lát ngoài trời như vậy lợi cho gạch.

C. Vì nhiệt độ thời tiết ngoài trời khi tăng lên dẫn đến sự giãn nở giữa các viên gạch.

D. Tất cả phương án trên đều đúng.

Hướng dẫn: Chọn đáp án C vì thời tiết ngoài trời khi thời tiết nóng lên có sự giãn nở giữa các viên gạch.

Bài 4: Theo bạn tại sao tôn lợp mái lại có thiết kế hình lượn sóng mà không phải là dạng mặt phẳng?

Hướng dẫn: Vì tôn sẽ xảy ra hiện tượng giãn nở vì nhiệt khi thời tiết thay đổi nhiệt độ. Nếu lợp tôn thẳng, khi tôn giãn nở do nhiệt độ tăng cao, sẽ làm đứt hoặc gãy các vít cố định do không đủ diện tích. Do đó, tôn được cấu tạo thành dạng lượn sóng để tạo được không gian giúp tôn giãn nở khi nhiệt độ môi trường tăng lên, hạn chế tình trạng hỏng mái, bung vít. 

Bài 5: Sử dụng hai cây thước khác nhau về chất liệu để đo chiều dài. Một cây thước bằng đồng và một cây thước làm bằng nhôm. Nếu nhiệt độ tăng lên thì bạn sẽ dùng cây thước nào để đo để cho ra kết quả chính xác hơn? Biết đồng nở vì nhiệt kém hơn nhôm.

Hướng dẫn: Nhôm giãn nở vì nhiệt nhiều hơn đồng nên dùng thước đồng sẽ ít bị sai lệch hơn khi đo.

Lời kết

Bài viết trên đây đã cung cấp một cách chi tiết những thông tin bổ ích cũng như bài tập cụ thể về sự nở vì nhiệt của chất rắn. Hy vọng sau khi tham khảo, bạn đọc sẽ tích lũy được nhiều kiến thức giúp ích cho quá trình học tập, tự ôn luyện cũng như ứng dụng thật tốt bài học vào thực tế đời sống hàng ngày.