Vật lí – Một số ứng dụng của sự nở vì nhiệt

Source: thuvienvatly
PHẦN II. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA SỰ NỞ VÌ NHIỆT CỦA VẬT RẮN

A.TRONG XÂY DỰNG

1.Tại sao một dãy nhà phải xây tách ra thành nhiều phần riêng, cách nhau một khe hở?

Ta thường nghĩ rằng nếu các nhà được xây liền nhau thành dãy thì vừa đỡ tốn vật liệu lại vừa vững chắc hơn. Điều đó chỉ đúng trong một phạm vi nhất định. Xây nhà liền nhau quá dài thì có khi chẳng cần đến bão tố, động đất,… tòa nhà cũng có thể đổ vỡ tan tành! Thực vậy, khi thời tiết thay đổi thì nhiệt độ của tường nhà cũng thay đổi theo và tất nhiên cũng có sự co dãn vì nhiệt. trong khi đó chân móng nhà ở sâu dưới đất ít bị co dãn vì nhiệt. Nhà càng dài thì sự chênh lệch vì co dãn của tường và chân móng càng nhiều. Do đó có thể làm cho tường bị nứt vỡ, thậm chí có thể gây đổ nhà. Nếu nhà dài được xây tách ra thành từng đoạn, thì sự chênh lệch về độ co dãn giữa chân móng và tường của mỗi đoạn không nhiều, nên không đủ làm cho tường bị nứt vỡ. Tương tự, những mặt đường, những bờ máng bằng bê tong cũng phải đổ tách ra từng đoạn, cách nhau một khe bằng nhựa

2.Tại sao ở chổ tiếp nối hai đầu thanh ray xe lửa lại có một khoảng hở?

Người ta đặt khe hở như vậy để khi trời nóng, đường ray nở dài ra nếu không để khe hở sự nở vì nhiệt của đường ray sẽ bị ngăn cản gây ra lực lớn làm cong đường ray.

Tương tự trên mặt cầu người ta cũng làm tách nhau thành từng đoạn, giữa các đoạn là miếng cao su để mặt cầu dễ dàng co dãn vì nhiệt mà không nứt vỡ đổ sập.

3. Tại sao các ống dẫn khí nóng hay nước nóng trong nhà máy thỉnh thoảng lại có một chỗ uốn cong?

Trong nhà máy, các ống này khá dài và phải bắt bám vào tường nhà máy. Khi mới đặt ống thì ống nguội, khi cho khí đi qua thì ống nóng. Trong khi làm việc ống cũng có khi nóng khi lạnh. Cho nên sự dãn nở vì nhiệt làm cho ống có khi dài, có khi ngắn. Nếu không có những chỗ uốn cong như thế thì khi ống dài ra sẽ bị vồng lên, bật ra khỏi tường. Nhờ có những chỗ uốn cong như thế, khi ống dài ra thì chổ cong sẽ cong thêm, khi ống ngắn lại thì chổ cong sẽ duỗi ra còn các chỗ thẳng vẫn thẳng và bám tường.Cũng chính vì như thế mà ống dẫn nước nóng trong nhà tắm phải làm bằng chất nhựa mềm để khi nở ra nó có thể nở vào phía trong. Nếu làm bằng ống sắt thì phải bọc bằng vài lớp giấy hoặc vải để khi nở ra ống không làm nứt tường.

4. Tại saotấm tôn lợp nhà hay ghép vách có hình dạng lượn sóng?

Lý do để người ta là để cho chúng dễ dàng co dãn vì nhiệt, các tấm tôn khi lợp mái nhà sẽ được vít cố định vào xà nhà,nếu tấm phẳng thì khi nhiệt độ cao hoặc thấp tấm tôn sẽ dãn ra hoặc co lại làm bật các vít cố định, nghiêm trọng hơn có thể làm nứt tường, xà. Do đó người ta làm dạng lượn sóng khi nhiệt độ cao tấm tôn dãn ra vồng lên theo chỗ lượn sóng không ảnh hưởng đến mặt phẳng chung của cả tấm

B.TRONG KĨ THUẬT

1.Ứng dụng dùng làm rơle nhiệt để đóng ngắt các mạch điện khi nhiệt độ thay đổi

Bộ phận chính của rơ le là một băng kép. Cấu tạo: Hai thanh kim loại có bản chất khác nhau được tán chặt (gắn chặt bằng chốt) với nhau sẽ tạo thành băng kép . Đặc điểm: Băng kép dều bị cong khi bị làm lạnh hay bị đốt nóng. Khi bị đốt nóng: Băng kép cong về phía kim loại giãn nở vì nhiệt ít hơn. Khi bị làm lạnh: Băng kép cong về phía kim loại giãn nở vì nhiệt nhiều hơn . Khi có dòng quá tải đi qua, phiến lưỡng kim loại được đốt nóng uốn cong về phía kim loại có hệ số giãn nở bé, đẩy cần gạt làm lò xo co lại và chuyển đổi hệ thống tiếp điểm phụ, mạch được ngắt.

2.Tại sao khi lắp khâu dao, khâu liềm, người ta phải nung nóng khâu lên rồi mới lắp vào chuôi dao, chuôi liềm? Lắp khâu dao, khâu liềm, hay khi muốn lắp đai cho bất cứ vật nào cũng cần nung nóng đai lên rồi mới lắp vào chỗ cần thiết. Sau đó dội nước lạnh vào đai thì đai sẽ bó chặt vật lại. Đó là một ứng dụng của sự nở vì nhiệt của chất rắn. Hầu hết các chất đều nở ra khi nóng lên và co lại khi lạnh đi. Khi làm các khâu dao, khâu liềm hay một đai nào đó, người ta làm nhỏ hơn chỗ định lắp một chút. Nung nóng khâu hoặc đai đó, chúng sẽ nở ra để có thể lắp vào chuôi dao, chuôi liềm dễ dàng. Sau đó dội nước lạnh, chúng sẽ bó chặt chuôi dao, chuôi liềm vào.

Ngược lại, khi muốn ắp vòng bạc (vòng bằng hợp kim có hệ số ma sát rất nhỏ) vào trong ổ trục máy, người ta phải làm vòng to hơn một chút. Hơ nóng ổ trục cho nở ra rồi lắp vào vòng ổ trục. Sau đó dội nước lạnh cho trục co lại giữ chặt lấy vòng bạc.

3.Tại sao xilanh và pittong của động cơ nhiệt phải làm bằng cùng một chất?

Mỗi chất rắn co dãn vì nhiệt khác nhau.So với lúc nghỉ, lúc làm việt, nhiệt độ của ddoognj cơ tăng lên rất nhiều. Nếu xilanh và pittong của động cơ làm bằng những chất khác nhau và khi nguội chúng vừa khít với nhau thì khi làm việc chúng co dãn không đều, pittong sẽ bị kẹt không chuyển động được hoặc quá hở, khí trong xilanh bị lọt ra ngoài, làm yếu động cơ, hiệu suất thấp.

Cũng vì thế, các dây dẫn điện từ bên trong bóng đèn điện ra ngoài phải có hệ số dãn nỡ bằng hệ số dãn nỡ của thủy tinh, để khi nóng lên nó không tách khỏi thủy tinh ở cổ bóng đèn, giữ cho bóng đèn luôn luôn kín.

Nói chung, trong kĩ thuật các chi tiết cần gắn với nhau hoặc ghép sát với nhau và nhiệt độ có thể thay đổi nhiều đều phải làm bằng cùng một chất hoặc các chất có sự dãn nở vì nhiệt gần như nhau để khi nhiệt độ thay đổi chúng không bị hư hỏng.

4.Tại sao khi hàn nối 2 tấm thép có đầu vát hình chữ V người thợ hàn lại đặt chúng nghiên góc với nhau bằng cách kê hai đầu cần hàn lên một miếng đệm?

Khi hàn chỗ mối hàn nóng hơn các phần khác của tấm thép nên khi nguội nó sẽ co nhiều hơn các phần khác. Nếu ngay từ đầu ta đặt hai tấm thép thẳng hàng với nhau thì sau khi hàn và để nguội chúng sẽ bị cong lên( bị quặp lại). Nếu đặt chúng nghiêng thì sau khi hàn xong mối hàn co lại sẽ kéo cho chúng thẳng hàng. Tất nhiên người thợ phải xác định chính xác góc nghiêng thích hợp.

Nói chung trong kĩ thuật hàn vì biết rõ mối hàn sẽ co lại nhiều hơn các phần khác của vật hàn người ta thường làm biến dạng chỗ mối hàn trước khi hàn để sau khi hàn mối hàn sẽ co vật về hình dạng cần thiết

5.Tại sao khi đúc các đồ vật lớn bằng kim loại cần phải có đậu ngót?

Các vật đúc lớn đều nguội không đều, vỏ ngoài nguội trước và rắn lại trong khi đó ruột vẫn còn lỏng. Nếu chỉ đổ kim loại vào đầy khuôn thì khi các lớp bên trong nguội đi chúng sẽ co thể tích lại nhưng không thể co lớp vỏ ngoài cho nhỏ lại được nên trong vật đúc sẽ có những chỗ bị rỗng làm vật đúc kém chất lượng. Để tránh tình trạng đó, phía trên khuôn chỗ miệng rót kim loại lỏng vào khuôn người ta làm thêm một bầu chứa kim loại lỏng, phần kim loại lỏng này được gọi là đậu ngót. Đậu ngót được giừ ở thể lỏng cho tới khi phần trong cùng của vật đúc đông đặc.

6.Tại sao để đo cường độ dòng điện hiệu dụng trong mạch người ta thường dùng ampe kế nhiệt?

Cấu tạo và hoạt động của ampe kế nhiệt: Bộ phận chính của ampe kế nhiệt là một thanh kim loại mảnh và dài được cuộn lại giống một lò xo xoắn với một đầu gắn cố định, còn đầu kia gắn với một kim chuyển động trên nền một thước hình cung. Khi dòng điện chạy qua, thanh xoắn nóng lên đến nhiệt độ cân bằng (công suất nhiệt nhận được từ dòng điện bằng công suất nhiệt tỏa ra môi trường), và giãn nở nhiệt, đẩy đầu tự do quay. Góc quay, thể hiện bởi vị trí đầu kim trên thước đo, tương ứng với cường độ dòng điện.

C.TRONG ĐỜI SỐNG HÀNG NGÀY

1. Tại sao rót nước nóng vào cốc thuỷ tinh dày thì cốc dễ vỡ?

Thủy tinh là chất rất giòn lại dẫn nhiệt kém .Khi rót nước nóng vào cốc thủy tinh dày thì lớp thuỷ tinh bên trong tiếp xúc với nước, nóng lên trước và dãn nở, trong khi lớp thuỷ tinh bên ngoài chưa kịp nóng lên và chưa dãn nở. Kết quả là lớp thuỷ tinh bên ngoài chịu lực tác dụng từ trong ra và cốc bị nứt. Vết nứt sẽ nhanh chóng lan truyền vào bên trong và các phần khác, làm cho chai cốc vỡ tan. Để tránh hiện tượng trên, trước khi rót nước sôi vào chai hay cốc người ta thường đặt một chiếc thìa trong cốc rồi rót nước từ từ vào thìa để nhiệt truyền bớt sang thìa sẽ làm nước giảm nhiệt ,khi đó sự tăng nhiệt độ của thủy tinh là từ từ nên không gây nứt vỡ hoặc ta nên rót một ít nước sôi vào chén cho nguội đi một chút rồi đổ vào chai hay cốc để chúng ấm lên một chút. Sau đó rót nước sôi vào chổ nước trước để nước trong chai, cốc nóng lên từ từ thì chai cốc không bị nứt vỡ.

2.Trong phòng thí nghiệm, những cốc chịu nhiệt/ ống thí nghiệm phải được làm bằng loại thủy tinh chịu nhiệt, và phải làm rất mỏng để truyền nhiệt nhanh chóng từ trong ra ngoài. Hơn nữa trong khi đun người ta còn phải lót bên dưới cốc một tấm lưới kim loại và phải lắc để nhiệt không tập trung vào một chỗ à truyền đều vào một diện tích rộng hơn thì ống nghiệm không bị nổ vỡ

3.Tại sao khi rót nước nóng ra khỏi phích nước, rồi đậy nút lại ngay thì nút hay bị bật ra?Làm thế nào để tránh hiện tượng này?

Khi rót nước nóng ra có một lượng không khí ở ngoài tràn vào phích. Nếu đậy nút ngay thì lượng khí này sẽ bị nước trong phích làm cho nóng lên, nở ra và có thể làm bật nút phích. Để tránh hiện tượng này, không nên đậy nút ngay mà chờ cho lượng khí tràn vào phích nóng lên, nở ra và thoát ra ngoài một phần mới đóng nút lại.

4. Tại sao trứng luộc xong ngâm vào nước lạnh lại dễ bóc hơn tự để nguội?

Trứng vừa luộc xong nếu đem bóc ngay thì lòng trắng trứng bám vào vỏ khó bóc, ta nên ngâm trứng vào nước lạnh, khi ngâm vào nước lạnh lớp vỏ trứng gặp lạnh co lại nhanh và có kích thước không đổi, sau đó lòng trắng trứng mới từ từ co lại và tách khỏi lớp vỏ, việc bóc trứng sẽ dễ dàng.

5.Tại sao các đai ốc, vít bị gỉ khó vặn nhưng đem đốt nóng lên thì lại dề vặn hơn?

Khi đốt nóng đai ốc nở ra trong khi ốc ở bên trong chưa kịp nở làm cho đai ốc vừa rộng ra so với ốc vừa làm lớp gỉ sắt giữa đai ốc và ốc bị vỡ do đó ta vặn ốc dễ dàng hơn rất nhiều

Tương tự, mùa đông nút chai, nắp lọ( bằng kim loại) thường khó vặn, ta chỉ cần hơ nóng phần nút chai khi đó nút chai sẽ dãn nở dễ dàng vặn nút hơn