Bài tập về sự nở vì nhiệt của các chất

Xin chào các bạn, hôm nay chúng ta sẽ nghiên cứu một trường hợp khác về sự biến dạng của vật rắn đó là khi vật rắn chị tác dụng của nhiệt độ lớn thì sẽ như thế nào ? Để có thể giải đáp được thắc mắc này, các bạn hãy cùng HocThatGioi theo dõi hết bài viết nhé.

Chúng ta hãy xem qua thì nghiệm để hiểu rõ hơn về sự nở dài nhé.

Sự giãn nở vì nhiệt

Một vật rắn bằng kim loại đồng chất, một đầu được gắn chặt cố định, một đầu được nối với bộ phân lẫy có thể mở rộng góc do khi thanh rắn giãn nở vì nhiệt

Nung nóng thanh kim loại ta thấy góc đo mở rộng sau một thời gian điều này chứng tỏ vật rắn đã bị biến dạng khi nhiệt độ thay đổi

Sự tăng độ dài của vật rắn khi nhiệt độ tăng gọi là sự nở dài vì nhiệt.

Biểu thức xác định độ nở dài của vật rắn

\Delta l = l – l_{0} = \alpha l_{0}\Delta t

Trong đó:
l_{0}: chiều dài bân đầu của vật rắn
l: chiều dài sau khi giãn nở vì nhiệt của vật rắn
\alpha: hệ số nở phụ thuộc vào bản chất của vật rắn, đơn vị là \frac{1}{k} hoặc k^{-1}
\Delta t = t_{2} - t_{1}: độ tăng nhiệt độ của vật rắn
\Delta l: độ nở dài của vật rắn

Hệ số nở dài của một số vật liệu:

Chất liệu	\alpha (K^{-1})
Nhôm	24.10^{-6}
Đồng đỏ	17.10^{-6}
Sắt, thép	11.10^{-6}
Inva (Ni – Fe)	0,9.10^{-6}
Thuỷ tinh	9.10^{-6}
Thạch anh	0,6.10^{-6}

Bảng I: Hệ số nở dài của một số vật liệu

Chúng ta cũng hãy xem qua một số thì nghiệm để hiểu rõ hơn nhé.

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 ra quả cầu hình vành khuyên dễ dàng do đường kính ngoài của quả cầu kim loại nhỏ hơn đường kính 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 cầu đã tăng lên do nhiệt độ hay nói các khác vật rắn bị biến dạng vì nhiệt

Sự tăng thể tích của vật rắn khi nhiệt độ tặng gọi là sự nở khối.

Biểu thức độ nở khối của vật rắn

\Delta V = V – V_{0} = \Beta .V_{0}.\Delta t = 3\alpha\Delta t

Trong đó:
V_{0}: thể tích ban đầu của vật rắn
V: thể tích sau khi giãn nở vì nhiệt của vật rắn
\Beta = 3\alpha: hệ số nở phụ thuộc vào bán chất của vật rắn và cũng có đơn vị k^{-1}
\Delta t = t_{2} - t_{1}: độ tăng nhiệt độ của vật rắn
\Delta V: độ nở khối 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

Tàu hoả trật bánh đường rây

• 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.

Ứng dụng của sự nở dài vật rắn

• 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.

Ứng dụng sự vì nhiệt của vật rắn

• 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.

Bài 1: Mỗi thanh ray của đường sắt ở nhiệt độ 15^{\circ}C có độ dài là 12,5m. Nếu hai đầu các thanh ray khi đó chỉ đặt cách nhau 4,50mm, thì các thanh ray  này có thể chịu được nhiệt độ lớn nhất bằng bao nhiêu để chúng không bị uốn cong do tác dụng nở nhiệt? Cho biết hệ số nở dài của mỗi thanh ray là  \alpha=12.10^{-6}K^{−1}.

Để thanh ray không bị cong khi nhiệt độ tăng thì độ tăng chiều dài của thanh phải bằng khoảng cách giữa hai đầu thanh ray.
Sử dụng công thức: \Delta l = l_{2} – l_{1} = l_{1}\alpha (t_{2} – t_{1})
t_{2} = t_{max} = \frac{\Delta l}{\alpha l_{1}} + t_{1} = \frac{4,5.10^{-3}}{12.10^{-6}.12,5} + 15 = 45^{\circ} C

Bài 2. Một dây tải điện ở 20^{o}C có độ dài 1 800m. Hãy xác định độ nở dài của dây tải điện này khi nhiệt độ tăng lên đến 50^{o}C về mùa hè. Cho biết hệ số nở dài của dây tải điện là  \alpha=1,5.10^{−6}K^{−1}

Độ tăng chiều dài của thanh khi nhiệt độ tăng đến 50^{\circ}C là \Delta l
Sử dụng công thức: \Delta l = l_{2} – l_{1} = l_{1}\alpha (t_{2} – t_{1})
Thay số: \Delta l = 1800.11,5.10 – 6(50^{\circ} – 20^{\circ}) = 0,62 m

Cảm ơn các bạn đã theo dõi bài viết của HocThatGioi về Sư nở vì nhiệt của vật rắn – Bài tập minh hoạ. Nếu thấy bài viết hay, bổ ích hãy chia sẻ đến với bạn bè của mình nhé! Chúc các bạn học tốt!

Bài viết khác liên quan đến Chất rắn và chất lỏng – Sự chuyển thể

Sự tăng độ dài của vật rắn khi nhiệt độ tăng gọi là sự nở dài vì nhiệt.

Độ nở dài Δl của vật rắn hình trụ đồng chất tỉ lệ với độ tăng nhiệt độ Δt và độ dài ban đầu lo của vật đó.

Công thức tính sự nở vì nhiệt của chất rắn

Trong đó:

• Δl = l – lo là độ nở dài của vật rắn (đơn vị mét)
• lo – là chiều dài của vật rắn ở nhiệt độ to
• l – là chiều dài của vật rắn ở nhiệt độ t
• α – là hệ số nở dài của vật rắn, phụ thuộc vào chất liệu vật rắn (K‾¹)
• Δt =t – to là độ tăng nhiệt độ của vật rắn (°C hay K)
• to – là nhiệt độ đầu
• t – là nhiệt độ sau

Sự nở khối

Sự tăng thể tích của vật rắn khi nhiệt độ tăng gọi là sự nở khối.

Độ nở khối của vật rắn đồng chất đẳng hướng được xác định theo công thức:

Công thức tính sự nở khối

Trong đó:

• ΔV= V – Vo là độ nở khối của vật rắn (đơn vị m³)
• Vo – là thể tích của vật rắn ở nhiệt độ to
• V – là thể tích của vật rắn ở nhiệt độ t
• β – là hệ số nở khối β ≈ 3α (K‾¹)
• Δt =t – to là độ tăng nhiệt độ của vật rắn (°C hay K)
• to – là nhiệt độ đầu
• t – là nhiệt độ sau

Ứng dụng

• Phải tính toán để khắc phục tác dụng có hại của sự nở vì nhiệt.
• Lợi dụng sự nở vì nhiệt để lồng ghép đai sắt vào các bánh xe, để chế tạo các băng kép dùng làm rơle đóng ngắt điện tự động, …

Hướng dẫn giải bài tập sự nở vì nhiệt

Bài 1: Một thanh ray dài 10m được lắp trên đường sắt ở 20°C. Phải để hở 2 đầu 1 bề rộng bao nhiêu để nhiệt độ nóng lên đến 60°C thì vẫn đủ chỗ cho thanh ray giãn ra? α = 12.10^-6 (K‾¹)

Hướng dẫn giải: Áp dụng công thức sự nở dài của chất rắn Δl = α.lo.(t-to) = 4,8.10^-3 m

Bài 2: Buổi sáng ở nhiệt độ 15°C, chiều dài của thanh thép là 10m. Hỏi buổi trưa ở nhiệt độ 30°C thì chiều dài của thanh thép trên là bao nhiêu? Biết β = 3,3.10^-3 (K‾¹)

Hướng dẫn giải:

Áp dụng công thức sự nở khối của chất rắn, ta có:

• α = β/3 = 1,1.10^-3 (K‾¹)
• Δl = l – lo = α.lo.(t-to) => l = 10,00165 m

Bài 3: Một lá nhôm HCN có kích thước 2m x 1m ở 0°C. Đốt nóng tấm nhôm tới 400°C thì diện tích tấm nhôm sẽ là bao nhiêu? α = 25.10^-6 (K‾¹)

Hướng dẫn giải:

• a’ = l = lo.(1+α.Δt) = 2,02 m
• S = a’.b = 2,02.1 = 2,02 m²
• b’ = l = lo.(1+α.Δt) = 1,01 m
• S = a’.b, = 2,02.1,01 = 2,04 m²

Kiến thức tham khảo

Kiến thức liên quan: Cấu tạo chất và thuyết động học phân tử

Kiến thức liên quan: Quá trình đẳng nhiệt – Định luật Bôi-Lơ-Ma-Ri-Ốt

Kiến thức liên quan: Quá trình đẳng tích – Định luật Sác Lơ

Kiến thức liên quan: Quá trình đẳng áp – Định luật Gay-Luyxac

Chuyên mục tham khảo: Vật lý học

Nếu các bạn có bất cứ thắc mắc vui lòng comment phía dưới hoặc Liên hệ chúng tôi!

Chúng tôi luôn sẵn sàng đem lại những giá trị tốt đẹp cho cộng đồng!

Youtobe Facebook Twitter