SGK Vật Lí 10 - Bài 36. Sự nở vì nhiệt của vật rắn

Sự Nơ Vì NHIỆT CỦA VẬT RẮN
Nhiệt kế
Nước chày ra
Hình 36.2
Đổng hồ micromét
Nước chảy vào
a) Đặt một thanh đồng vào trong bình nước. Khi tăng dần nhiệt độ của nước từ tữ đến í, thanh đồng nở dài ra và đẩy đầu đo của đồng hồ micrômét dịch chuyển, làm kim của nó quay từ từ trên mặt thang đo (Hình 36.2).
Ban đầu thanh đồng có nhiệt độ tữ = 20°C và độ dài l0 = 500 mm. Giá trị độ nở dài A/ của thanh đồng và độ tăng nhiệt độ Aí = t - t0 tương ứng của nó được ghi trong Bảng 36.1.
Bảng 36.1
Nhiệt độ ban đầu : fg = 20°C Độ dài ban đầu : zo = 500 mm
Af (°C)
AZ (mm)
30
0,25
40
0,33
50
0,41
60
0,49
70
0,58
c® Tính hệ sô' a = của mỗi
lần đo ghi trong Bảng 36.1. Xác định giá trị trung bình của hệ số a.
Với sai số khoảng 5%, nhận xét xem hệ số a có giá trị không đổi hay thay đổi ?
ffl
Kết quả của thí nghiệm trên cho thấy hệ số a có giá trị không đổi. Như vậy ta có thể viết:
A/= a/0(f-í0)	(36.1)
Trong đó /0 và l là độ dài của thanh đồng ở nhiệt độ đầu fQvà nhiệt độ cuối t.
Công thức (36.1) có thể viết dưới dạng tương tự công thức (35.3):
Chất liệu
a(K-1)
Nhôm
24.10“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
0,6.1 Ũ'6
Bảng 36.2
Hệ sô' nở dài của một sô' chất rắn.
e=^- = aSt	(36.2)
l0
với e = — là độ nở dài tỉ đối và Af = í - tQ là độ
° ■,
tăng nhiệt độ của thanh đồng.
Làm thí nghiệm với các vật rắn có độ dài và chất liệu khác nhau (nhôm, sắt, thuỷ tinh,...), người ta thu được kết quả tương tự, nhưng hệ số a có giá trị thay đổi phụ thuộc chất liệu của vật rắn.
2. Kết luận
Sự tăng độ dài của vật rắn khi nhiệt độ tăng gọi là sự lỉở dài (vì nhiệt).
Nhiều thí nghiệm chứng tỏ : Độ nở dài ÁI của vật rắn (hình trụ đồng chất) tỉ lệ với độ tăng nhiệt độ Át và độ dài ban đầu ỈQ của vật đó.
® Dựa vào công thức a =
ln/st
hãy cho biết ý nghĩa của hệ sô' nở dài a.
kl = l-l0 = al0Át	(36.3)
Cồng thức (36.3) gọi là công thức nở dài, trong đó hệ sô' tỉ lệ a gọi là hệ số nở dài. Giá trị của a phụ thuộc chất liệu của vật rắn (Bảng 36.2) và có đơn vị đo là 1/K hay K_1. sa
Ví dụ :
Ớ 15°c, mỗi thanh ray của đường sắt dài 12,5 m. Hỏi khe hở giữa hai thanh ray phải có độ rộng tối thiểu bằng bao nhiêu để các thanh ray không bị cong khi nhiệt độ tăng tói 50°C ?
Giải:
Theo (36.3), độ nở dài của mỗi thanh ray bằng :
A/ = al0 (t - í0)
A/= 11J0-6.12,5 (50-15)
= 4,8 lmm.
Chú ý : Công thức (36.4) cũng áp dụng cho cả các chất lỏng (trừ nước ở gần 4°C), nhưng hệ số nở khối p của các chất lỏng lớn hơn từ 10 đến 100 lần so với các chất rắn. Ví dụ :
Cồn, rượu : p = n.lO^R-1
Thuỷ ngân : p = 18.10-3 K_1
II - sự NỞ KHỐI
Khi bị nung nóng, kích thước của vật rắn tăng theo mọi hướng nên thể tích của nó cũng tăng. Sự tăng thể tích của vật rắn khi nhiệt độ tăng gọi là sự nở khối.
Nhiều thí nghiệm chứng tỏ, độ nở khối của vật rắn (đồng chất, đẳng hướng) cũng được xác định theo công thức (có dạng tương tự công thức nở dài):
av = v-vo = /svoaz	(36.4)
với Vq và V lần lượt là thể tích của vật rắn ở nhiệt độ đầu t0 và nhiệt độ cuối t, còn Ềst - t - t0 là độ tăng nhiệt độ và p gọi là hệ số nở khối, p ~ 3a và cũng có đơn vị đo là 1/K hay K-1.
Ill	- ỨNG DỤNG
Trong kĩ thuật chế tạo và lắp đặt máy móc hoặc xây dựng công trình, người ta phải tính toán để khắc phục tác dụng có hại của sự nở vì nhiệt sao cho các vật rắn không bị cong hoặc nứt gãy khi nhiệt độ thay đổi. Ví dụ : giữa đầu các thanh ray của đường sắt phải có khe hở; hai đầu cầu sắt phải đặt trên các gối đỡ xê dịch được trên các con lăn ; các ống kim loại dẫn hơi nóng hoặc nước nóng phải có đoạn uốn cong để khi ống bị nở dài thì đoạn cong này chỉ biến dạng mà không bị gãy ;...
Mặt khác, người ta lại lợi dụng sự nở vì nhiệt của các vật rắn để lồng ghép đai sắt vào các bánh xe, để chế tạo băng kép dùng làm rơle đóng - ngắt tự động mạch điện ; hoặc để chế tạo các ampe kế nhiệt, hoạt động dựa trên tác dụng nhiệt của dòng điện, dùng đo cả dòng điện một chiều và xoay chiều ;...
Sự nỏ vì nhiệt của vật rắn là sự tăng kích thuúc của vật rắn khi nhiệt độ tăng do bị nung nóng.
Độ nở dài cùa vật rắn ti lệ thuận vói độ tăng nhiệt độ Atvà độ dài ban đầu l0 cùa vật đó. AZ = 7 - zo = aỉQÁt
Độ nở khối cùa vật rắn tì lệ vói độ tăng nhiệt độ At và thể tích ban đầu Vq cùa vật đó.
Av= V- vo = pv0At, với = 3a
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP
Phát biểu và viết công thức nở dài của vật rắn.
Viết công thức xác định quy luật phụ thuộc nhiệt độ của độ dài vật rắn.
Viết công thức xác định quy luật phụ thuộc nhiệt độ của thể tích vật rắn.
▼
Tại sao khi đổ nước sôi vào trong cốc thuỷ tinh thì cốc thuỷ tinh hay bị nứt vỡ, còn cốc thạch anh không bị nứt vỡ ?
Vì cốc thạch anh có thành dày hơn.
Vì cốc thạch anh có đáy dày hơn. c. Vì thạch anh cứng hơn thuỷ tinh.
D. Vì thạch anh có hệ sô' nở khối nhỏ hơn thuỷ tinh.
Một thước thép ở 20°C có độ dài 1 000 mm. Khi nhiệt độ tăng đến 40°C, thước thép này dài thêm bao nhiêu ?
A. 2,4 mm.	B. 3,2 mm.
c. 0,22 mm.	D. 4,2 mm.
Khối lượng riêng của sắt ở 800°C bằng bao nhiêu ? Biết khối lượng riêng của nó ở o°c là 7.800.103 kg/m3.
A. 7,900.1 o3 kg/m3.	B. 7,599.1 o3 kg/m3.
c. 7,857.1 o3 kg/m3.	D. 7,485.1 o3 kg/m3.
Một dây tải điện ở 20°C có độ dài 1 800 m. Hãy xác định độ nở dài của dây tải điện này khi nhiệt độ tăng lên đến 50°C vế mùa hè. Cho biết hệ số nở dài của dây tải điện là a= 11,5.10-6K-1.
Mỗi thanh ray của đường sắt ở nhiệt độ 15°c có độ dài là 12,5 m. Nếu hai đầu các thanh ray khi đó chỉ đặt cách nhau 4,50 mm, 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 vì nhiệt ? Cho biết hệ số nở dài của mỗi thanh ray là a = 12.10-6K-1'
Xét một vật rắn đồng chất, đẳng hướng và có dạng khối lập phương. Hãy chứng minh độ tăng thể tích AV của vật rắn này khi bị nung nóng từ nhiệt độ đầu t0 đến nhiệt độ t được xác định bởi công thức :
AV = V- VQ = pVữAt
với Vg Và V lần lượt là thể tích của vật rắn ở nhiệt độ đầu f0 và nhiệt độ cuối f, Af = f - íg, p ~ 3« (a là hệ số nở dài của vật rắn này). Chú ý: a2 và cr3 rất nhỏ so với a.