Vật lý 10 Bài 36: Sự nở vì nhiệt của vật rắn

5 trắc nghiệm 8 bài tập SGK

Ở bài học trước, chúng ta đã đi nghiên cứu  sự thay đổi về kích thước và hình dạng của vật rắn khi vật rắn chịu tác dụng của ngoại lực, gọi là sự biến dạng cơ

Hôm nay, chúng ta sẽ cùng đi nghiên cứu một trường hợp khác về sự biến dạng của vật rắn: đó là khi vật rắn chịu tác dụng của nhiệt độ đủ lớn. Mời các em cùng nhau tìm hiểu nội dung của Bài 36: Sự nở vì nhiệt của vật rắn

Tóm tắt lý thuyết

1. Sự nở dài.

a. Thí nghiệm.

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

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

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 ban đầu của vật rắn

    • \(l\) : chiều dài sau khi giãn nở vì nhiệt của vật rắn

    • \(\alpha\) : hệ số nở dài phụ thuộc vào bản chất của vật rắn, đơn vị là \(\frac{1}{k}\) hay \({k^{ - 1}}\)

    • \(\Delta t=t_2-t_1\) : độ tăng nhiệt độ của vật rắn

    • \(\Delta l\) : độ nở dài của vật rắn

  • Hệ số nở dài của một số vật liệu:

2. Sự nở khối.

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

b. Kết luận. 

  • Sự tăng thể tích của vật rắn khi nhiệt độ tăng 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 khối phụ thuộc vào bản chất của vật rắn và cũng có đơn vị là \({k^{ - 1}}\)

    • \(\Delta t=t_2-t_1\): độ tăng nhiệt độ của vật rắn

    • \(\Delta V\): độ nở khối của vật rắn

3. Ứng dụng biến dạng nhiệt 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.

Biến dạng nhiệt của vật rắn, sự nở dài, sự nở khối

  • 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.

Biến dạng nhiệt của vật rắn, sự nở dài, sự nở khối

  • 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.

Biến dạng nhiệt của vật rắn, sự nở dài, sự nở khối

  • 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 tập minh họa

Bài 1:

Mỗi thanh ray của đường sắt ở nhiệt độ \(15^oC\) 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  \(\alpha  = {12.10^ - }^6{K^{ - 1}}.\)

Hướng dẫn giải:

  • 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:                   \(\Delta l = l_2 - l_1 = l_1\alpha (t_2 - t_1)\)

   \(\Rightarrow t_2 = t_{max} =\frac{\triangle l}{\alpha l_{1}}+ t_1=\) \(\frac{4,5.10^{-3}}{12.10^{-6.}.12,5} + 15\)

  \(\Rightarrow t_{max} = 45^oC\).

Bài 2

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

Hướng dẫn giải:

  • Độ tăng chiều dài của thanh khi nhiệt độ tăng đến \(50^oC\)  là ∆l

  • Sử dụng công thức:      \(\Delta l = l_2 - l_1 = l_1\alpha (t_2- t_1)\)

  • Thay số :                    \(\Delta l = 1800. 11,5. 10-6 (50^o -20^o) = 0,62m.\)

Lời kết

Qua bài giảng Sự nở vì nhiệt của vật rắn​ này, các em cần hoàn thành 1 số mục tiêu mà bài đưa ra như :

  • Phát biểu được quy luật về sự nở dài và sự nở khối của vật rắn.

  • Nêu được ý nghĩa vật lý và đơn vị đo của hệ số nở dài và hệ số nở khối.

  • Vận dụng thực tiễn của việc tính toán độ nở dài và độ nở khối của vật rắn trong đời sống và kỹ thuật.

Các em có thể hệ thống lại nội dung kiến thức đã học được thông qua Giải bài tập Vật lý 10 Bài 36 và làm bài kiểm tra Trắc nghiệm Vật lý 10 Bài 36 cực hay có đáp án và lời giải chi tiết. Các em được làm bài thi MIỄN PHÍ để test kiến thức cho bản thân nhé.Trong quá trình học tập nếu có thắc mắc hay cần trợ giúp gì thì các em hãy comment ở mục Hỏi đáp, Cộng đồng Vật lý HOC247 sẽ hỗ trợ cho các em một cách nhanh chóng!

Chúc các em học tập tốt, chuẩn bị sẵn sàng kiến thức để đạt thành tích cao nhất trong học tập nhé!      

-- Mod Vật Lý 10 HỌC247