Hầu hết các chất nở ra khi nóng lên và co lại khi lạnh đi, vì các hạt cấu tạo nên chúng dao động mạnh hơn và đẩy nhau ra xa hơn khi nhiệt độ tăng. Chất khí nở nhiều nhất, chất lỏng nở ít hơn, chất rắn nở ít nhất. Độ nở nhỏ nhưng lực sinh ra khi bị cản rất lớn, nên kỹ sư phải tính tới nó ở mọi cây cầu, đường ray, đường ống.
Bài viết dành cho học sinh THCS đang học phần này ở môn Khoa học tự nhiên và học sinh THPT muốn ôn lại, kèm công thức nở dài dạng mở rộng với một ví dụ tính đúng. Cuối bài có cách nhờ AI ra câu hỏi giải thích hiện tượng và cách kiểm những con số hệ số nở mà chatbot đưa ra.
Vì sao vật nở ra khi nóng
Hình dung các nguyên tử trong một thanh sắt như những quả bóng nối với nhau bằng lò xo, mỗi quả liên tục rung quanh một vị trí. Khi thanh sắt nóng lên, các quả bóng rung mạnh hơn. Lực giữa hai nguyên tử không đối xứng: đẩy rất mạnh khi chúng bị ép lại gần, nhưng kéo yếu hơn khi chúng tách xa. Vì thế khi rung mạnh, khoảng cách trung bình giữa chúng tăng lên một chút. Cộng dồn qua hàng tỉ tỉ nguyên tử dọc thanh, cả thanh dài ra.
Với chất lỏng, các phân tử không bị giữ chặt ở vị trí cố định nhưng vẫn ở gần nhau; nóng lên thì chuyển động mạnh và chiếm nhiều chỗ hơn. Với chất khí, các phân tử ở rất xa nhau và gần như không tương tác, nên khi nóng lên mà áp suất giữ nguyên, thể tích tăng đáng kể. Đó là lý do quả bóng bay để trong ô tô đỗ ngoài nắng có thể căng lên rõ rệt.
Một điểm học sinh hay nhầm: khi nở ra, khối lượng của vật không đổi, chỉ thể tích tăng, nên khối lượng riêng giảm. Chính sự giảm khối lượng riêng này tạo ra dòng đối lưu khi đun nước, nối phần nở vì nhiệt với phần truyền nhiệt mà bạn đã học. Một điểm khác: nở vì nhiệt không làm các hạt to ra; các hạt vẫn như cũ, chỉ có khoảng cách giữa chúng thay đổi.
Rắn, lỏng, khí nở khác nhau thế nào
Bảng dưới so sánh ba trạng thái. Các hệ số là bậc độ lớn để bạn cảm nhận, không phải số liệu chính xác; mỗi chất có giá trị riêng và thay đổi theo nhiệt độ.
| Trạng thái | Mức nở khi tăng 1 °C | Các chất khác nhau có nở khác nhau không | Ví dụ quan sát được |
|---|---|---|---|
| Chất rắn | Rất nhỏ, chiều dài tăng cỡ vài phần triệu tới vài chục phần triệu | Có, nhôm nở gần gấp đôi thép | Dây điện trên cột võng xuống nhiều hơn vào trưa hè |
| Chất lỏng | Lớn hơn chất rắn nhiều lần | Có, rượu nở nhiều hơn nước | Nồi nước đổ đầy miệng sẽ trào ra khi đun dù chưa sôi |
| Chất khí | Lớn nhất, ở áp suất không đổi thể tích tăng khoảng 1/273 thể tích ở 0 °C cho mỗi độ | Gần như như nhau với mọi khí ở điều kiện thường | Bóng bay căng hơn khi để chỗ nắng |
Con số 1/273 ở hàng chất khí gắn với thang Kelvin: nếu cứ giảm nhiệt độ thì thể tích khí lý tưởng giảm đều và về không ở khoảng −273 °C. Bài về khí lý tưởng trong danh mục này đi tiếp ý này.
Ở hàng chất lỏng, ví dụ nồi nước trào là do cả nồi và nước cùng nở, nhưng nước nở nhiều hơn nồi kim loại. Nhiệt kế chất lỏng cũng dựa vào chênh lệch này: chất lỏng trong bầu nở nhiều hơn vỏ thuỷ tinh, nên dâng lên trong ống mảnh. Chi tiết phần nhiệt kế ở mục bên dưới.
Công thức nở dài và ví dụ thanh ray
Ở mức mở rộng, độ dài tăng thêm của một thanh rắn được tính bằng Δl = α · l₀ · Δt, trong đó l₀ là chiều dài ban đầu, Δt là độ tăng nhiệt độ, α là hệ số nở dài của chất, đơn vị 1/K. Với thép, α vào khoảng 11 tới 13 phần triệu mỗi kelvin; bài dưới lấy tròn 12 × 10⁻⁶ /K.
- Đề giả định. Một thanh ray thép dài 12,5 m được lắp lúc trời mát, nhiệt độ thanh 15 °C. Trưa hè nắng gắt, thanh ray có thể nóng tới 55 °C. Tính độ dài tăng thêm.
- Liệt kê. l₀ = 12,5 m; Δt = 55 − 15 = 40 °C, cũng là 40 K; α = 12 × 10⁻⁶ /K.
- Thay số. Δl = 12 × 10⁻⁶ × 12,5 × 40. Tính 12,5 × 40 = 500, rồi 500 × 12 × 10⁻⁶ = 6000 × 10⁻⁶ = 0,006 m.
- Đổi đơn vị cho dễ hình dung. 0,006 m bằng 6 mm. Vậy khe hở giữa hai thanh ray loại này cần cỡ vài milimét trở lên để thanh không bị ép cong khi nóng.
- Kiểm hợp lý. Thanh dài 12,5 m mà chỉ dài thêm 6 mm, tức chưa tới một phần nghìn; đúng với nhận xét chất rắn nở rất ít. Nếu bạn ra 6 m hay 60 cm, hẳn đã quên phần 10⁻⁶.
Lưu ý: nhiều tuyến đường sắt hiện đại hàn ray thành đoạn rất dài và xử lý chuyện nở theo cách khác, phần kỹ thuật đó nằm ngoài chương trình phổ thông. Ví dụ trên chỉ dùng để luyện công thức. Công thức nở dài không có trong mọi bộ sách hiện hành, nên bạn hỏi thầy cô xem lớp mình có cần học không trước khi luyện nhiều.
Những chỗ phải chừa khe hở hoặc tận dụng sự nở
Khe co giãn trên cầu. Đi xe qua những cây cầu dài, bạn sẽ cảm nhận được những gờ kim loại cắt ngang mặt đường. Đó là khe co giãn, cho phép mặt cầu dài ra, ngắn lại theo mùa mà không đẩy vỡ mố cầu.
Dây điện chùng hơn vào mùa hè. Thợ kéo dây không căng dây sát vào mùa lạnh, vì khi trời lạnh hơn dây sẽ co lại và có thể đứt hoặc kéo nghiêng cột. Dây võng vào trưa hè là chuyện bình thường do nở vì nhiệt.
Bê tông và cốt thép nở gần bằng nhau. Hệ số nở của thép và bê tông khá gần nhau, nhờ vậy khi nhiệt độ thay đổi, thanh thép trong cột bê tông không tách khỏi lớp bê tông bao quanh. Đây là một lý do bê tông cốt thép bền.
Cốc thuỷ tinh dày dễ nứt khi rót nước sôi. Thuỷ tinh thường dẫn nhiệt kém, nên mặt trong nóng và nở trước trong khi mặt ngoài còn nguội, chênh lệch đó làm cốc nứt. Thuỷ tinh chịu nhiệt có hệ số nở nhỏ hơn nhiều nên ít bị như vậy.
Nắp lọ kim loại bị chặt. Người lớn có thể dội nước nóng vào nắp kim loại của lọ thuỷ tinh: nắp nở nhiều hơn miệng lọ nên lỏng ra. Việc này dùng nước nóng nên trẻ nhỏ không tự làm.
Băng kép và nhiệt kế: biến sự nở thành công cụ
Băng kép gồm hai lá kim loại khác nhau, chẳng hạn đồng và thép, tán chặt vào nhau dọc chiều dài. Khi nóng lên, lá đồng nở nhiều hơn lá thép, nhưng hai lá dính liền không trượt được, nên cả băng cong về phía lá thép, tức phía nở ít hơn. Khi nguội, băng thẳng lại. Chuyển động cong này đủ để đóng hoặc ngắt một tiếp điểm điện, nên băng kép được dùng làm bộ phận tự ngắt trong bàn là kiểu cũ, ấm điện, một số loại cầu dao chống quá tải. Đây là ví dụ đẹp về việc vật lý biến một hiện tượng nhỏ thành cơ cấu điều khiển không cần mạch điện tử.
Nhiệt kế chất lỏng dùng sự nở của chất lỏng trong bầu, đẩy cột chất lỏng dâng lên trong ống rất mảnh. Ống càng mảnh thì một độ nở nhỏ cũng làm cột dâng cao, nhiệt kế càng nhạy. Nhiệt kế y tế thuỷ ngân trước đây nay được khuyến cáo thay bằng loại khác vì thuỷ ngân độc khi vỡ; nếu trong nhà còn loại này và lỡ làm vỡ, không dùng máy hút bụi, không chạm tay, mở cửa thông thoáng và hỏi người lớn cách thu gom theo hướng dẫn của cơ quan y tế địa phương.
Khi nhờ AI giải thích băng kép, câu hỏi kiểm hiểu tốt là: "Nếu đổi chỗ hai lá kim loại, băng cong về phía nào?" hoặc "Nếu băng kép bị làm lạnh xuống dưới nhiệt độ lúc chế tạo thì cong về phía nào?". Bạn tự trả lời trước, rồi mới hỏi AI. Câu thứ hai có đáp án ngược với khi đun nóng: lá nở nhiều cũng co nhiều, nên băng cong về phía lá đồng.
Nước là một ngoại lệ quan trọng
Nước không theo quy luật chung trong khoảng từ 0 °C tới khoảng 4 °C. Khi nước được làm nóng từ 0 °C lên khoảng 4 °C, thể tích lại giảm; chỉ từ khoảng 4 °C trở lên nước mới nở ra như các chất lỏng khác. Hệ quả là nước có khối lượng riêng lớn nhất ở khoảng 4 °C. Ngoài ra, khi đông đặc thành nước đá, nước nở ra khoảng một phần mười thể tích, nên nước đá nổi trên mặt nước.
Hai hiện tượng này có hệ quả lớn cho sự sống. Ở các hồ vùng lạnh, khi trời rét, lớp nước mặt nguội tới 4 °C thì chìm xuống, cho tới khi cả hồ khoảng 4 °C; sau đó lớp mặt nguội tiếp nhưng nhẹ hơn nên nằm trên, rồi đóng băng. Lớp băng trên mặt lại cách nhiệt cho phần nước bên dưới, nên cá vẫn sống được ở đáy hồ qua mùa đông.
Trong nhà, chai thuỷ tinh đựng đầy nước để vào ngăn đá có thể nứt vỡ khi nước đông lại, vì vậy chỉ để chai nhựa và chừa khoảng trống phía trên. Ống nước ở vùng núi cao phía Bắc vào những đợt rét đậm cũng có thể bị nứt vì cùng nguyên nhân. Khi hỏi AI về nước ở 4 °C, bạn nên yêu cầu nó giải thích bằng cấu trúc liên kết giữa các phân tử nước ở mức đơn giản, rồi tự vẽ sơ đồ minh hoạ vào vở.
Học với AI: kiểm con số và luyện giải thích hiện tượng
Phần nở vì nhiệt ít bài tính, nhiều câu hỏi "vì sao". Chatbot rất hợp để luyện dạng này, miễn là bạn kiểm lại số liệu nó đưa ra.
- Câu lệnh luyện giải thích: "Cho mình năm hiện tượng đời thường liên quan sự nở vì nhiệt. Với mỗi hiện tượng, để mình giải thích trước, sau đó bạn nhận xét lời giải thích có đủ ba ý: cái gì nóng lên, cái gì nở, điều gì xảy ra vì sự nở đó."
- Kiểm hệ số nở: thép khoảng 11 tới 13, nhôm khoảng 23, đồng khoảng 17, thuỷ tinh thường khoảng 9, đơn vị phần triệu trên mỗi kelvin. Nếu AI đưa số lệch xa các bậc này, hỏi lại nguồn và đối chiếu sách.
- Kiểm đơn vị: hệ số nở dài có đơn vị 1/K, không phải mét hay độ.
- Cảnh giác câu "mọi chất đều nở ra khi nóng lên": sai với nước trong khoảng 0 tới 4 °C và một vài vật liệu đặc biệt.
- Khi AI nói "các phân tử nở to ra", đó là cách diễn đạt sai; các phân tử không to ra, khoảng cách giữa chúng mới tăng.
Nếu bạn chụp hiện tượng ở nhà để hỏi AI, như dây điện võng hay nắp lọ, nên chụp sao cho không lộ số nhà, biển tên đường hay mặt người trong ảnh. Mô tả bằng lời thường cũng đủ để AI hiểu.
Câu hỏi thường gặp
Tại sao chất khí nở vì nhiệt nhiều hơn chất rắn?
Trong chất rắn, các hạt liên kết chặt và chỉ dao động quanh vị trí cố định, nên khoảng cách trung bình tăng rất ít khi nóng lên. Trong chất khí, các phân tử ở xa nhau và gần như không hút nhau, nên khi nhận thêm năng lượng chúng chiếm thêm nhiều không gian nếu áp suất giữ nguyên.
Băng kép cong về phía nào khi bị đốt nóng?
Băng kép cong về phía lá kim loại nở ít hơn. Với băng đồng và thép, đồng nở nhiều hơn nên băng cong về phía thép khi nóng lên. Khi bị làm lạnh dưới nhiệt độ ban đầu, băng cong theo chiều ngược lại, tức về phía đồng.
Vì sao nước đá nổi trên mặt nước?
Vì khi đông đặc, nước nở ra khoảng một phần mười thể tích, nên khối lượng riêng của nước đá nhỏ hơn nước lỏng. Vật có khối lượng riêng nhỏ hơn chất lỏng sẽ nổi. Hầu hết các chất khác thì ngược lại, dạng rắn đặc hơn dạng lỏng.
Công thức nở dài có trong chương trình phổ thông hiện nay không?
Chương trình 2018 nhấn mạnh hiện tượng và ứng dụng của sự nở vì nhiệt ở cấp THCS; công thức định lượng không xuất hiện ở mọi bộ sách. Bạn hỏi thầy cô xem có cần học không. Dù không bắt buộc, làm một hai ví dụ giúp bạn cảm nhận độ lớn của sự nở.
Vì sao rót nước sôi vào cốc thuỷ tinh dày dễ nứt hơn cốc mỏng?
Thuỷ tinh dẫn nhiệt kém, nên với cốc dày, mặt trong nóng và nở ra nhanh trong khi mặt ngoài còn nguội. Chênh lệch nở giữa hai mặt tạo ứng suất làm cốc nứt. Cốc mỏng nóng đều nhanh hơn nên chênh lệch nhỏ hơn.