Nếu quan sát kỹ các dây cáp điện, bạn sẽ thấy chúng bị cong xuống do bị chùng. Tại sao dây cáp điện lại được nới lỏng một cách cố ý, thay vì chỉ đơn giản là căng ra? Hầu hết các mái nhà ở Flores và Lembata, Đông Nusa Tenggara, đều được làm bằng kẽm (Zn). Ban ngày hay ban đêm, mái nhà bằng kẽm đều phát ra tiếng ồn. Tại sao kẽm lại phát ra tiếng ồn? Nếu bạn sống trên đảo Java, bạn có thể đã quan sát thấy đường ray xe lửa. Có những khoảng trống ở các mối nối ray. Chức năng của những khoảng trống này ở các mối nối ray là gì? Có rất nhiều điều bạn có thể suy nghĩ và đặt câu hỏi liên quan đến chủ đề giãn nở.
Sự mở rộng chiều dài
Hầu hết các chất rắn đều giãn nở tuyến tính khi nhiệt độ thay đổi. Điều này đề cập đến sự tăng hoặc giảm chiều dài. Thông thường, chiều dài của một vật tăng lên khi nhiệt độ tăng và giảm đi khi nhiệt độ giảm. Bạn có thể nghĩ rằng sự giãn nở tuyến tính chỉ xảy ra ở những vật thể như dây mỏng. Ví dụ, hãy xem xét một chiếc xe hơi đậu bên đường và tiếp xúc với ánh nắng mặt trời. Khi xe quá nóng, tấm kim loại có thể dày lên hoặc chiều dài các cạnh của nó tăng lên. Mái nhà bằng kẽm cũng có thể trải qua sự giãn nở tuyến tính. Trong trường hợp này, khi kẽm quá nóng, các cạnh của kẽm giãn nở và kẽm cũng có thể dày lên. Điều tương tự cũng xảy ra với đường ray xe lửa và cầu sắt hoặc thép.
Hầu hết các chất rắn đều giãn nở hoặc co lại khi nhiệt độ thay đổi, vì vậy chúng ta cần hiểu sự thay đổi nhiệt độ ảnh hưởng đến sự giãn nở của chất rắn như thế nào. Điều này rất hữu ích khi thiết kế thiết bị, công trình xây dựng, phương tiện giao thông, v.v. Ví dụ, khoảng cách giữa các thanh ray xe lửa. Đường ray xe lửa được làm bằng thép. Các kỹ sư đã tính toán chiều rộng của khoảng cách giữa mỗi thanh ray. Vào một ngày nóng, các thanh ray sẽ giãn nở thêm vài centimet. Khi một đoàn tàu đi qua, nhiệt độ của các thanh ray cũng tăng lên, khiến chúng giãn nở thêm bao nhiêu centimet? Vào một đêm lạnh, các thanh ray sẽ co lại bao nhiêu centimet? Dựa trên phân tích này, các kỹ sư ước tính khoảng cách giữa các khe hở của thanh ray sao cho khi nhiệt độ của thanh ray tăng lên, các thanh ray không chạm vào nhau và bị cong.
Để giúp chúng ta tìm ra công thức thể hiện mối quan hệ giữa sự thay đổi nhiệt độ và độ giãn nở tuyến tính, hãy xem xét một vật rắn đang giãn nở, như hình bên phải. Chú thích: To = nhiệt độ ban đầu, T = nhiệt độ cuối cùng, Lo = chiều dài ban đầu, L = chiều dài sau khi giãn nở, delta L = sự thay đổi chiều dài, delta T = sự thay đổi nhiệt độ.
Khi nhiệt độ của vật bằng T₀ ( vật vẫn còn lạnh), chiều dài của vật bằng L₀ . Khi nhiệt độ của vật bằng T (nhiệt độ của vật tăng lên), chiều dài của vật bằng L. Dựa trên kết quả quan sát và thí nghiệm, sự thay đổi chiều dài của vật tỷ lệ thuận với sự thay đổi nhiệt độ. Nếu nhiệt độ tăng, chiều dài của vật tăng. Ngược lại, khi nhiệt độ giảm, chiều dài của vật giảm. Sự thay đổi chiều dài của vật cũng tỷ lệ thuận với chiều dài ban đầu của vật (L₀ ) . Nếu độ lớn của sự thay đổi nhiệt độ là như nhau, một vật dài 10 mét, chẳng hạn, sẽ tăng chiều dài gấp đôi so với một vật chỉ dài 5 mét. Vì vậy, vật càng dài thì sự giãn nở của vật càng lớn.
Sự thay đổi chiều dài của một vật (delta L) tỷ lệ thuận với sự thay đổi nhiệt độ (delta T):
Sự thay đổi chiều dài của vật thể (delta L) tỷ lệ thuận với chiều dài ban đầu của vật thể (L₀).o):
Sự thay đổi về chiều dài của mỗi vật thể là khác nhau. Mặc dù nó lớn sự thay đổi nhiệt độ Tương tự, sự giãn nở của sắt không giống với sự giãn nở của thủy tinh. Điều này cũng đúng với các vật thể khác. Do đó, sự giãn nở tuyến tính phụ thuộc vào hệ số giãn nở tuyến tính của mỗi vật thể. Hệ số giãn nở tuyến tính của mỗi vật thể được xác định thông qua thực nghiệm. Hệ số giãn nở tuyến tính càng lớn, chiều dài tăng thêm càng nhiều. Hệ số giãn nở tuyến tính càng nhỏ, chiều dài tăng thêm càng ít. Có thể nói rằng sự thay đổi chiều dài của một vật thể tỷ lệ thuận với hệ số giãn nở tuyến tính.
Ba phép so sánh trên được thể hiện trong một phương trình:
Tổng chiều dài của một vật sau khi giãn nở hoặc co lại có thể được tính bằng cách cộng chiều dài ban đầu của vật đó (L).o) và sự thay đổi về chiều dài vật thể (delta L).
Khi nhiệt độ thay đổi (TT)o) là âm, thì sự thay đổi về chiều dài (LL)o) cũng mang giá trị âm. Trong trường hợp này, chiều dài của vật thể giảm đi. Ngược lại, nếu nhiệt độ thay đổi (TT)o) là dương, thì sự thay đổi về chiều dài (LL)o) cũng là giá trị dương. Trong trường hợp này, chiều dài của vật thể tăng lên.
Dưới đây là hệ số giãn nở tuyến tính của chất rắn ở nhiệt độ 20 ° C. Chất lỏng và chất khí thay đổi hình dạng, ngăn cản chúng trải qua sự giãn nở tuyến tính. Hệ số giãn nở tuyến tính của chất rắn cũng phụ thuộc vào nhiệt độ. Ở các nhiệt độ khác nhau, hệ số giãn nở tuyến tính của chất rắn cũng thay đổi. Nếu sự chênh lệch nhiệt độ không quá lớn, sự khác biệt về hệ số giãn nở tuyến tính cũng sẽ không quá lớn, do đó có thể bỏ qua.
Sự mở rộng thể tích
Sự giãn nở chiều dài chỉ xảy ra ở vật rắn, trong khi sự giãn nở thể tích xảy ra ở tất cả các vật thể, dù là rắn, lỏng hay khí. Phương trình biểu diễn sự giãn nở thể tích tương tự như phương trình biểu diễn sự giãn nở chiều dài.
Phương trình giãn nở thể tích nêu trên chỉ đúng khi sự thay đổi thể tích của một vật (rắn, lỏng hoặc khí) nhỏ hơn thể tích ban đầu của vật đó. Nếu sự thay đổi thể tích của một vật lớn hơn thể tích ban đầu của vật đó, phương trình giãn nở thể tích sẽ không cho kết quả chính xác. Thông thường, sự thay đổi thể tích của vật rắn không quá lớn. Ngược lại, hệ số giãn nở thể tích của chất lỏng và chất khí khá lớn. Hệ số giãn nở thể tích của chất khí cũng dễ thay đổi theo nhiệt độ. Do đó, công thức trên chỉ được sử dụng cho sự giãn nở của vật rắn. Công thức xác định sự thay đổi thể tích của chất khí sẽ được nghiên cứu trong chủ đề lý thuyết động học chất khí ở lớp 11.
