Hầu hết các vật rắn đều trải qua sự giãn nở tuyến tính khi nhiệt độ thay đổi. Giãn nở tuyến tính là sự tăng hoặc giảm chiều dài của vật. Thông thường, chiều dài của vật tăng khi nhiệt độ tăng, trong khi chiều dài giảm 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 nhìn vào một chiếc xe đang đỗ bên đường, tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng mặt trời. Khi xe quá nóng, tấm sắt có thể dày lên, hoặc chiều dài cạnh có thể tăng lên. Mái nhà làm bằng kẽm cũng có thể bị giãn nở. Trong trường hợp này, khi kẽm quá nóng, các cạnh của kẽm sẽ tăng chiều rộng và kẽm thậm chí có thể dày lên. Điều tương tự cũng xảy ra với đường ray xe lửa và sắt hoặc thép trên cầu.
Hầu hết các vật rắn đều giãn nở hoặc co lại khi nhiệt độ của vật thay đổi, vì vậy chúng ta cần biết sự thay đổi nhiệt độ ảnh hưởng đến sự giãn nở của vật rắn như thế nào. Ví dụ, khe hở giữa các thanh ray xe lửa. Đường ray xe lửa được làm bằng thép. Các kỹ sư đã tính toán chiều rộng của khe hở giữa mỗi thanh ray. Vào một ngày nóng, thanh ray sẽ giãn nở vài centimet. Khi có tàu chạy qua, nhiệt độ của thanh ray cũng tăng lên, do đó thanh ray sẽ giãn nở thêm bao nhiêu centimet? Vào những đêm lạnh, thanh ray sẽ co lại bao nhiêu centimet?
Dựa trên kết quả phân tích, các kỹ sư ước tính khoảng cách giữa các khe ray sao cho khi nhiệt độ ray tăng lên, các ray không chạm vào nhau và bị cong vênh.
Để giúp chúng ta xây dựng công thức thể hiện mối quan hệ giữa sự thay đổi nhiệt độ và độ giãn nở chiều dài, hãy xem xét một vật rắn đang giãn nở, như hình dưới đây.
To = nhiệt độ ban đầu, T = nhiệt độ cuối cùng, Lo = chiều dài ban đầu, ΔL = sự thay đổi chiều dài, L = chiều dài sau khi giãn nở, ΔT = 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 thể tỷ lệ thuận với sự thay đổi nhiệt độ. Nếu nhiệt độ tăng, chiều dài của vật thể tăng. Ngược lại, khi nhiệt độ giảm, chiều dài của vật thể giảm. Sự thay đổi chiều dài của vật thể cũng tỷ lệ thuận với chiều dài ban đầu của vật thể (Lo). Nếu sự thay đổi nhiệt độ là như nhau, ví dụ, vật thể dài 10 mét sẽ dài gấp đôi so với vật thể chỉ dài 5 mét. Vì vậy, vật thể càng dài thì sự giãn nở càng lớn.
Sự thay đổi chiều dài của vật (L) tỷ lệ thuận với sự thay đổi nhiệt độ (ΔT): ΔL α ΔT
Sự thay đổi chiều dài của một vật (ΔL) tỷ lệ thuận với chiều dài của vật ban đầu (L₀ ) : ΔL α L₀
Sự thay đổi chiều dài của mỗi vật thể là khác nhau. Mặc dù sự thay đổi nhiệt độ là như nhau, nhưng sự giãn nở của sắt không giống với thủy tinh. Tương tự như vậy với các vật thể khác. Vì vậy, sự giãn nở tuyến tính phụ thuộc vào hệ số giãn nở tuyến tính của mỗi vật thể. Hệ số giãn nở tuyến tính càng lớn, chiều dài tăng càng nhiều. Hệ số giãn nở tuyến tính càng nhỏ, chiều dài tăng 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.
∆ L ∝ α
Ba phép so sánh trên được thể hiện trong một phương trình:
Mô tả: ΔL = Sự thay đổi chiều dài, α = Hệ số giãn nở tuyến tính (đơn vị α = K⁻¹ hoặc ( C₀ ) ⁻¹) , L₀ = Chiều dài ban đầu, ΔT = Sự thay đổi nhiệt độ (nhiệt độ cuối – nhiệt độ ban đầu )
Tổng chiều dài của một vật thể sau khi giãn nở hoặc co lại có thể được tính bằng cách cộng chiều dài ban đầu của vật thể (L₀ ) với sự thay đổi chiều dài của vật thể (ΔL).
Mô tả: ΔL = chiều dài của vật thể sau khi giãn nở hoặc co lại, Lo = Chiều dài ban đầu của vật thể, ΔL = L – Lo = Sự thay đổi về chiều dài, α = Hệ số giãn nở tuyến tính (đơn vị của α = K)-1 hoặc (C)o)-1, ΔT = T – To = Sự thay đổi nhiệt độ, To = Nhiệt độ ban đầu, T = nhiệt độ cuối cùng.
Nếu sự thay đổi nhiệt độ (TT o ) là âm, thì sự thay đổi chiều dài (LL o ) cũng là âm.
Trong trường hợp này, chiều dài của vật thể giảm đi. Ngược lại, nếu sự thay đổi nhiệt độ (TT o ) là dương, thì sự thay đổi chiều dài (LL o ) cũng là dương. Trong trường hợp này, chiều dài của vật thể tăng lên.
Dưới đây là giá trị hệ số giãn nở tuyến tính của vật rắn ở nhiệt độ 20 °C. Hình dạng của chất lỏng và chất khí thay đổi nên hai loại chất này không thể trải qua sự giãn nở tuyến tính. Hệ số giãn nở tuyến tính của vật rắn cũng phụ thuộc vào nhiệt độ. Ở các nhiệt độ khác nhau, hệ số giãn nở tuyến tính của vật rắn cũng thay đổi. Nếu sự chênh lệch nhiệt độ không quá lớn, sự khác biệt về hệ số giãn nở tuyến tính cũng không quá lớn nên có thể bỏ qua.
