Vật lí 10

Sự nở vì nhiệt của vật rắn – Bài tập minh hoạ

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.

1. Sự nở dài

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

1.1 Thí nghiệm

Sự nở vì nhiệt của vật rắn - Bài tập minh hoạ 5
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

1.2 Kết luận

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})
Nhôm24.10^{-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

2. Sự nở khối

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

2.1 Thí nghiệm

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

2.2 Kết luận

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

3. Ứng Dụng

  • 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
Sự nở vì nhiệt của vật rắn - Bài tập minh hoạ 6
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.
Sự nở vì nhiệt của vật rắn - Bài tập minh hoạ 7
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.
Sự nở vì nhiệt của vật rắn - Bài tập minh hoạ 8
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.

4. Bài tập minh hoạ

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\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
      Back to top button
      Close