Sự Nở Vì Nhiệt
Sự nở vì nhiệt của chất rắn, chất lỏng, chất khí — công dụng và tác hại
Thí nghiệm: Dùng 3 thanh kim loại (nhôm, đồng, sắt) đốt nóng đồng đều bằng khay cồn. Mỗi thanh gắn với một kim chỉ thị ghi lại độ dãn nở.
Kết quả quan sát:
- Cả ba kim chỉ thị đều quay → cả 3 thanh đều dài ra khi nóng lên.
- Kim ứng với thanh nhôm quay nhiều nhất; kim ứng với thanh sắt quay ít nhất.
- Khi tắt đèn cồn, các kim dần quay về vị trí ban đầu → các thanh co lại khi lạnh đi.
3 thanh kim loại cùng tăng nhiệt độ — mức độ nở khác nhau
• Các chất rắn khác nhau thì mức độ nở vì nhiệt khác nhau.
▸ Băng kép
Băng kép gồm hai thanh kim loại khác nhau (ví dụ đồng và sắt) được ghép chặt vào nhau. Do hai kim loại nở vì nhiệt khác nhau nên khi bị đốt nóng, băng kép sẽ bị cong về phía thanh nở ít hơn.
• Khi bị đốt nóng: băng kép cong về phía kim loại nở vì nhiệt ít hơn.
• Khi làm lạnh (so với trạng thái thường): băng kép cong về phía kim loại nở vì nhiệt nhiều hơn.
Như vậy, dù đặt đồng ở trên hay ở dưới, khi đốt nóng, băng kép luôn cong về phía sắt.
Thí nghiệm: Bình thuỷ tinh đựng nước màu, có ống thuỷ tinh nhỏ cắm xuyên qua nút.
- Khi đặt bình vào chậu nước nóng → mực nước màu trong ống dâng lên.
- Khi chuyển bình sang chậu nước lạnh → mực nước màu hạ xuống.
Làm thí nghiệm tương tự với 3 bình chứa rượu, dầu, nước rồi cùng đặt vào chậu nước nóng → mực chất lỏng trong 3 ống dâng lên khác nhau (rượu dâng cao nhất, nước dâng ít nhất).
• Các chất lỏng khác nhau thì mức độ nở vì nhiệt khác nhau.
Thứ tự nở vì nhiệt (từ nhiều đến ít): rượu > dầu hoả > thuỷ ngân > nước.
▸ Sự nở vì nhiệt đặc biệt của nước
Nước có một tính chất đặc biệt khác hẳn các chất lỏng thông thường:
- Từ $0°C$ đến $4°C$: khi nhiệt độ tăng, nước co lại (thể tích giảm, khối lượng riêng tăng).
- Từ $4°C$ đến $8°C$: khi nhiệt độ tăng, nước nở ra bình thường (thể tích tăng, khối lượng riêng giảm).
Thí nghiệm: Dùng bình cầu có nút cao su với ống thuỷ tinh xuyên qua, trong ống có một giọt nước màu.
Hiện tượng: Chỉ cần xoa hai tay rồi áp tay vào bình cầu (truyền một lượng nhiệt rất nhỏ), giọt nước màu trong ống đã dịch chuyển ra ngoài.
• Các chất khí khác nhau nở vì nhiệt giống nhau.
• Chất rắn, chất lỏng khác nhau → nở vì nhiệt khác nhau.
• Chất khí khác nhau → nở vì nhiệt giống nhau.
▸ So sánh sự nở vì nhiệt của ba thể
Bảng cho biết độ tăng thể tích của $1\,000 \text{ cm}^3$ các chất khi nhiệt độ tăng thêm $50°C$:
| Chất khí | $\Delta V$ | Chất lỏng | $\Delta V$ | Chất rắn | $\Delta V$ |
|---|---|---|---|---|---|
| Không khí | $183$ | Rượu | $58$ | Nhôm | $3{,}45$ |
| Hơi nước | $183$ | Dầu hoả | $55$ | Đồng | $2{,}55$ |
| Oxygen | $183$ | Thuỷ ngân | $9$ | Sắt | $1{,}80$ |
(đơn vị $\text{cm}^3$)
① Chất khí nở vì nhiệt nhiều nhất, tiếp theo là chất lỏng, cuối cùng chất rắn nở ít nhất.
② Các chất khí khác nhau (không khí, hơi nước, oxygen) đều nở $183 \text{ cm}^3$ → nở vì nhiệt giống nhau.
③ Các chất lỏng, chất rắn khác nhau nở vì nhiệt khác nhau.
Khi một chất nở ra hoặc co lại, có 3 đại lượng cần phân biệt:
- Khối lượng $m$: không đổi (chất không tự sinh ra hay mất đi).
- Thể tích $V$: tăng khi nóng lên, giảm khi lạnh đi.
- Khối lượng riêng $D$: tính theo công thức $D = \dfrac{m}{V}$.
Khi vật lạnh đi: $m$ không đổi, $V$ giảm → $D$ tăng.
▸ Trường hợp đặc biệt với chất khí
Cần phân biệt rõ bình kín và bình hở:
- Bình kín: khí muốn nở ra nhưng bị giới hạn bởi thành bình → thể tích khí không đổi (= dung tích bình), chỉ áp suất khí tăng (có thể gây nổ nếu áp suất quá lớn).
- Bình hở: khí nở ra, một phần khí thoát ra ngoài → khối lượng khí trong bình giảm, thể tích khí trong bình không đổi (vẫn chiếm toàn bộ dung tích bình) → khối lượng riêng giảm.
- Nhiệt kế: dựa vào sự nở vì nhiệt của chất lỏng (thuỷ ngân, rượu) hoặc chất khí.
- Khí cầu: không khí nóng nở ra, nhẹ hơn → khí cầu bay lên.
- Băng kép: dùng làm thiết bị đóng – ngắt tự động mạch điện (bàn là, báo cháy, rơ-le nhiệt).
- Đường ray xe lửa bị cong vênh, biến dạng vào mùa hè.
- Đường ống dẫn nước, dẫn khí có thể bị nứt vỡ.
- Lốp xe dễ nổ khi đi trời nắng, bơm quá căng.
- Men răng rạn nứt khi ăn nóng – lạnh đột ngột.
▸ Biện pháp khắc phục tác hại:
- Chỗ nối hai thanh ray xe lửa phải để khe hở để khi trời nóng, ray nở ra có chỗ giãn.
- Ống dẫn khí, dẫn nước dùng đoạn ống cong tại các mối nối để bù lại sự co dãn.
- Khi xây cầu, một đầu cầu được đặt trên con lăn để cầu có thể tự do co dãn theo nhiệt độ.
- Lốp xe đạp, xe máy không nên bơm quá căng, đặc biệt khi đi trời nắng.
Cùng luyện bài Sự nở vì nhiệt!
22 câu: 17 trắc nghiệm · 3 đúng/sai · 2 tự luận
Tuyệt vời!
Cô Trần Thị Thanh Thảo
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Khoa Học Tự Nhiên THCS
Trình độ: Cử nhân Sư phạm KHTN, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ Tin học, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 6+ năm kinh nghiệm tại Trường THCS Nguyễn Siêu