Giãn nở vì nhiệt là gì? Tại sao thanh ray cần khe hở?

Giãn nở vì nhiệt là gì?

Giãn nở vì nhiệt là hiện tượng các vật thể (rắn, lỏng, khí) thay đổi kích thước, thường là tăng thể tích khi nhiệt độ tăng. Nguyên nhân là do khi nhiệt độ tăng, các phân tử bên trong vật chuyển động mạnh hơn, đẩy nhau xa hơn, dẫn đến kích thước của vật thể cũng tăng theo. Hiện tượng này phổ biến trong cuộc sống và kỹ thuật, đặc biệt dễ quan sát ở các vật rắn như kim loại.

Phương trình giãn nở vì nhiệt

Sự giãn nở vì nhiệt của vật rắn thường được mô tả bằng phương trình ΔL = α × L₀ × ΔT
Trong đó ΔL là độ dài tăng thêm, L₀ là chiều dài ban đầu, ΔT là độ tăng nhiệt độ, α là hệ số giãn nở dài (phụ thuộc vào vật liệu)

Hệ số giãn nở của một số vật liệu

Vật liệu	Hệ số giãn nở dài ở 20°C	Hệ số giãn nở thể tích ở 20°C
Nhôm	23,1	69
Nhôm Nitrit	5,3	4,2
Benzocyclobuten	42	126
Brass	19	57
Thép cacbon	10,8	32,4
CFRP	- 0,8	Bất đẳng hướng
Bê tông	12	36
Đồng	17	51
Kim cương	1	3
Ethanol	250	750
Galli (III) arsenua	5,8	17,4
Xăng	317	950
Thủy tinh	8,5	25,5

Tác dụng của sự giãn nở vì nhiệt

Tác dụng	Mô tả cụ thể
Tính cực	Dùng trong nhiệt kế, vì chất lỏng (thủy ngân/ cồn) giãn nở theo nhiệt độ.
	Nắp nồi, nắp chai thủy tinh có thể mở dễ hơn khi được hơ nóng.
	Trong công tắc nhiệt, khi vật giãn nở đến mức nhất định sẽ làm đóng/mở mạch điện.
Tiêu cực	Làm cong, vênh, nứt các vật liệu nếu không có khe hở giãn nở.
	Gây hỏng hóc máy móc do chi tiết kim loại bị giãn nở quá mức.
	Ảnh hưởng đến độ chính xác trong các thiết bị đo đạc, máy móc chính xác nếu không được hiệu chỉnh theo nhiệt độ.

Tại sao thanh ray cần khe hở?

Khi lắp đặt đường ray tàu hỏa, các thanh ray luôn được chừa ra một khe hở nhỏ giữa hai đoạn. Lý do là vào những ngày nắng nóng, kim loại trong thanh ray giãn nở. Nếu không có khe hở, các đoạn ray sẽ bị dồn ép vào nhau, dễ bị cong, vênh, thậm chí bật khỏi đế ray – gây nguy hiểm nghiêm trọng cho đoàn tàu. Do đó, khe hở đóng vai trò "giảm sốc" an toàn cho sự thay đổi nhiệt độ theo mùa hoặc thời điểm trong ngày.

Một số ví dụ về sự giãn nở vì nhiệt

Đường ray tàu hỏa thường có các khe hở nhỏ giữa các thanh ray để tránh hiện tượng cong vênh khi nhiệt độ tăng cao vào mùa hè.
Nắp chai kim loại đôi khi khó mở, nhưng chỉ cần nhúng vào nước nóng thì nắp sẽ giãn nở và dễ mở hơn.
Dây điện treo trên cột vào mùa hè thường trùng xuống so với mùa đông vì dây giãn dài ra khi trời nóng.
Mặt đường nhựa vào buổi trưa nắng có thể phồng lên do lớp nhựa giãn nở dưới nhiệt độ cao.
Thanh kim loại khi nung nóng sẽ dài ra, nên trong xây dựng cần tính toán để tránh lực nén gây hỏng kết cấu.

Sự khác nhau giữa giãn nở vì nhiệt và các hiện tượng nở vì nguyên nhân khác

Hiện tượng	Nguyên nhân chính	Sự khác nhau
Giãn nở vì nhiệt	Do nhiệt độ tăng	Phổ biến, dễ quan sát, xảy ra ở cả rắn, lỏng, khí
Giãn nở do hấp thụ nước	Do vật liệu hút ẩm (gỗ, đất sét...)	Không liên quan đến nhiệt, thường gặp trong xây dựng
Giãn nở do áp suất	Tăng áp suất bên trong vật chứa khí	Xảy ra nhanh, phụ thuộc vào độ đàn hồi và thể tích
Giãn nở do từ trường	Do sự thay đổi từ trường trong vật liệu	Thường xảy ra ở vật liệu sắt từ, mang tính vật lý chuyên sâu
Giãn nở hóa học	Do phản ứng hóa học (ví dụ phản ứng tạo khí)	Có thể kèm theo thay đổi khối lượng, không quay lại trạng thái ban đầu

Giãn nở vì nhiệt là một hiện tượng vật lý quen thuộc nhưng lại đóng vai trò quan trọng trong cả đời sống lẫn kỹ thuật. Việc hiểu rõ cơ chế và tác dụng của sự giãn nở giúp con người có những thiết kế an toàn và hiệu quả hơn, từ đường ray xe lửa đến cầu cống, thiết bị cơ khí và điện tử. Không chỉ vậy, phân biệt giãn nở vì nhiệt với các hiện tượng giãn nở khác cũng giúp tránh nhầm lẫn trong quan sát và tính toán. Đây là một kiến thức nền tảng, đơn giản nhưng cực kỳ thiết thực và hữu ích.