Sự nở khối là gì? Công thức tính độ nở khối của vật rắn?

1. Sự nở khối là gì? 

Sự nở khối là một hiện tượng trong đó vật rắn trải qua sự thay đổi về thể tích khi nhiệt độ tăng lên. Khi vật rắn được nâng cao nhiệt độ, các hạt phân tử bên trong nó bắt đầu gia tăng động năng và dao động tốc độ cao hơn. Khi điều này xảy ra, khoảng cách giữa các hạt phân tử tăng lên do sự dao động này, dẫn đến một tác động đẩy lùi giữa các phân tử. Do đó, vật rắn mở rộ ra và thể tích của nó tăng lên, dẫn đến hiện tượng gọi là sự nở khối.

Hiện tượng này có thể được giải thích bằng cách xem xét các yếu tố liên quan đến cấu trúc phân tử và sự biểu diễn năng lượng trong vật liệu. Khi nhiệt độ tăng, năng lượng động của các hạt phân tử tăng lên và làm cho các liên kết tương tác giữa chúng trở nên yếu hơn. Điều này cho phép các phân tử di chuyển từ vị trí ban đầu và tạo ra sự gia tăng về khoảng cách giữa chúng.

Sự nở khối có ứng dụng rất rộng trong nhiều lĩnh vực. Ví dụ, sự nở khối được sử dụng trong thiết kế và sản xuất các vật liệu mở rộng khi tiếp xúc với nhiệt độ cao, như trong bộ phận của các dụng cụ gia dụng, thiết bị điện tử và các ứng dụng công nghiệp khác. Hiểu về hiện tượng sự nở khối giúp các nhà khoa học và kỹ sư hiểu rõ hơn về cách các vật liệu phản ứng và thay đổi dưới tác động của nhiệt độ, từ đó tối ưu hóa các quy trình sản xuất và thiết kế.

2. Công thức tính độ nở khối của vật rắn:

Hiện tượng độ nở khối trong các chất rắn, bất kể chúng có cấu trúc đồng phẳng hay đẳng hướng, có mối quan hệ tỉ lệ thuận với sự tăng về nhiệt độ và thể tích ban đầu của vật rắn. Đây là một hiện tượng được biểu thị bằng công thức toán học:

∆V = V – V0 = β.V0.∆t

Trong đó, V0 và V lần lượt là thể tích của vật rắn tại nhiệt độ ban đầu t0 và nhiệt độ cuối t, còn ∆t = t – t0 là sự tăng về nhiệt độ và β là hệ số nở khối. Hệ số β có thể xấp xỉ bằng 3 lần hệ số nở khối α, và cũng có đơn vị là 1/K hoặc K-1.

Cần chú ý rằng, công thức về độ nở khối cũng có thể áp dụng cho các chất lỏng (trừ nước ở nhiệt độ gần 40°C). Tuy nhiên, hệ số nở khối β của các chất lỏng thường lớn hơn từ 10 đến 100 lần so với các chất rắn.

Chẳng hạn, cồn và rượu có hệ số β khoảng 12.10-4 K-1, trong khi thủy ngân có hệ số β khoảng 18.10-3 K-1.

Cho một ví dụ cụ thể, nếu có một khối thép đồng phẳng, cùng chất và cùng thể tích là 0,125 m3 ở nhiệt độ 20°C, chúng ta có thể tính được sự mở rộ thêm của khối thép khi nhiệt độ tăng lên 50°C:

∆V = V – V0 = β.V0.∆t = 3α.V0.∆t = 3.11.10-6.0,125.(50 – 20) = 123,75.10-6 m3.

3. Ứng dụng của sự nở khối của vật rắn:

Sự nở khối của vật rắn có rất nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực khác nhau, từ công nghệ đến ngành y học và xây dựng. Dưới đây là một số ví dụ chi tiết về ứng dụng của hiện tượng này:

– Thiết kế khe hở nhiệt động: Trong một số ứng dụng, ví dụ như thiết kế bộ phận máy móc hoặc cấu trúc, sự nở khối có thể được sử dụng để tạo ra các khe hở nhiệt động. Những khe hở này cho phép vật liệu mở rộ hoặc co lại một cách kiểm soát khi nhiệt độ thay đổi, giúp giảm bớt các vấn đề liên quan đến sự mở rộ không kiểm soát.

– Vật liệu tự điều chỉnh: Các vật liệu thông minh, còn được gọi là vật liệu tự điều chỉnh, có khả năng thay đổi cấu trúc, kích thước hoặc tính chất của mình dựa trên yếu tố nhiệt độ. Sự nở khối có thể được sử dụng để thiết kế các vật liệu như vậy, giúp chúng thích nghi với môi trường xung quanh và các điều kiện thay đổi.

– Bảo vệ thiết bị khỏi va đập: Trong các ứng dụng cần bảo vệ các bộ phận thiết bị khỏi va đập hoặc tác động mạnh, sự nở khối có thể được sử dụng để tạo ra các bộ phận đàn hồi, có khả năng mở rộ khi gặp tác động và thu nhỏ lại sau đó.

– Thiết kế cầu đường ray: Trong ngành xây dựng cầu và đường ray, sự nở khối của vật liệu có thể được sử dụng để thiết kế các cấu trúc có khả năng co dãn theo nhiệt độ, giúp giảm bớt căng thẳng và biến dạng không mong muốn do thay đổi nhiệt độ.

– Ngành y học: Trong ngành y học, sự nở khối có thể được sử dụng để thiết kế các bộ phận như ống dẫn máu hoặc dụng cụ y khoa có khả năng thay đổi kích thước theo nhiệt độ cơ thể, giúp tối ưu hóa việc điều trị và giảm bớt căng thẳng trên các bộ phận.

– Tạo khe hở cố định: Trong ngành xây dựng và cơ khí, sự nở khối có thể được sử dụng để tạo khe hở cố định giữa các bộ phận, giúp giảm bớt va chạm và mài mòn.

Tóm lại, sự nở khối của vật rắn không chỉ là một hiện tượng vật lý thú vị mà còn có rất nhiều ứng dụng thực tiễn quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ kỹ thuật đến y học và xây dựng.

4. Bài tập về Sự nở khối của vật rắn:

4.1. Bài tập trắc nghiệm: 

1. Khi nhiệt độ vật rắn tăng lên, điều gì xảy ra với khoảng cách giữa các phân tử trong vật rắn?

a) Khoảng cách giữa các phân tử giảm. b) Khoảng cách giữa các phân tử tăng.

c) Khoảng cách giữa các phân tử không thay đổi. d) Khoảng cách giữa các phân tử biến đổi không theo quy luật.

2. Hiện tượng sự nở khối của vật rắn xảy ra do nguyên nhân gì?

a) Sự biến đổi cấu trúc nguyên tử. b) Sự chuyển đổi từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng.

c) Sự chuyển đổi từ trạng thái rắn sang trạng thái khí. d) Sự thay đổi cấu trúc phân tử.

3. Trong quá trình nở khối, sự thay đổi gì xảy ra với khối lượng của vật rắn?

a) Khối lượng tăng. b) Khối lượng giảm. c) Khối lượng không thay đổi. d) Khối lượng biến đổi không theo quy luật.

4. Hiện tượng nào sau đây không có liên quan đến sự nở khối của vật rắn?

a) Độ bền của vật liệu. b) Nhiệt độ. c) Cấu trúc tinh thể. d) Tính đàn hồi của vật liệu.

Đáp án:

1/ a) Khoảng cách giữa các phân tử giảm.

2/ a) Sự biến đổi cấu trúc nguyên tử.

3/ a) Khối lượng tăng.

4/ a) Độ bền của vật liệu.

4.2. Bài tập tự luận:

Câu 1: Tại sao sau khi bị nung nóng, quả cầu không thể lọt qua vòng kim loại?

Khi quả cầu bị nung nóng, nhiệt độ tăng lên và do đó phân tử bên trong quả cầu cũng tăng cường động năng, làm cho khoảng cách giữa chúng mở rộ. Hiện tượng này gây ra sự mở rộ và nở ra của quả cầu, khiến thể tích của nó tăng lên. Tuy nhiên, mặc dù quả cầu đã nở ra, thể tích tăng lên, nhưng vẫn không đủ để vượt qua vòng kim loại vì khoảng cách giữa các chất liệu kim loại trong vòng vẫn cố định.

Câu 2: Tại sao sau khi được ngâm vào nước lạnh, quả cầu lại có thể lọt qua vòng kim loại?

Khi quả cầu được đặt vào nước lạnh, nhiệt độ của nó giảm xuống và do đó phân tử bên trong quả cầu mất đi động năng, làm cho chúng tụ lại gần nhau hơn. Điều này gây ra sự thu nhỏ và co lại của quả cầu, làm cho thể tích của nó giảm đi. Khi thể tích của quả cầu giảm xuống, nó có khả năng đi qua vòng kim loại vì kích thước của nó đã thu nhỏ lại và trở nên nhỏ hơn so với trước khi bị nung nóng.

Câu 3: Tại sao khi lắp khâu vào đầu cán dao, liềm, người thợ rèn phải nung nóng khâu rồi mới tra vào cán?

Khi người thợ rèn lắp khâu sắt vào đầu cán dao hay liềm bằng gỗ, họ thường nung nóng khâu trước khi tra vào cán. Lý do là do hiện tượng nở khối của vật rắn khi nó được nung nóng. Khi khâu được nung nóng, nhiệt độ tăng lên làm tăng động năng của phân tử bên trong khâu. Điều này làm cho khoảng cách giữa các phân tử tăng lên, khiến khâu nở rộ và mở rộ hơn. Khi khâu được tra vào cán gỗ, và sau khi nguội xuống, khâu co lại và bám chặt vào cán dao, liềm, tạo ra một sự kết nối chặt chẽ và an toàn hơn.

Câu 4: Hãy nghĩ cách làm cho quả cầu trong thí nghiệm dù đang nóng vẫn có thể lọt qua vòng kim loại. Hãy làm thí nghiệm kiểm chứng.

Để làm cho quả cầu trong thí nghiệm có thể lọt qua vòng kim loại dù đang nóng, chúng ta có thể thực hiện các bước sau đây: Nung nóng vòng kim loại, ví dụ như sắt. Sau khi vòng kim loại nóng đỏ, cố gắng nhấn nhẹ quả cầu vào vòng kim loại. Do sự nở khối của quả cầu khi nóng, và sự mở rộ của vòng kim loại, quả cầu có thể lọt qua vòng kim loại dễ dàng.

Câu 5: Tại sao quả cầu nở ra khi nóng lên trong thí nghiệm?

Trong thí nghiệm, quả cầu nở ra khi nóng lên do tính chất vật lý của chất rắn. Khi nhiệt độ tăng lên, các phân tử bên trong chất rắn cảm thấy có nhiều năng lượng hơn, làm cho chúng chuyển động nhanh hơn và tạo ra áp suất nội bên trong chất. Do áp suất nội tạo này, khoảng cách giữa các phân tử tăng lên, làm cho chất rắn nở rộ và thể tích của nó tăng lên.