Hầu hết vật liệu nở ra khi nóng lên và co lại khi lạnh đi, vì các hạt bên trong rung lắc mạnh hơn và đẩy nhau ra xa hơn một chút. Trưa hè, dây điện dài ra nên võng xuống thấp hơn; mặt cầu dài hơn nên phải chừa khe hở. Ly thuỷ tinh dày rót nước sôi dễ nứt vì lớp bên trong nóng lên và nở ra trước, trong khi lớp bên ngoài còn lạnh, giằng co nhau đến mức thuỷ tinh rạn vỡ.
Chào bạn, đây là Nhà Vật Lý. Giãn nở vì nhiệt là hiện tượng bé tới mức mắt thường gần như không thấy, nhưng kỹ sư làm cầu, thợ lát gạch, người làm bếp đều phải tính tới nó. Tập này mình đi dạo quanh những chỗ nó lộ mặt, từ cây cầu đến chiếc hũ dưa muối.
Vì sao vật lại nở ra khi nóng?
Các nguyên tử trong một thanh sắt giống như những quả bóng nối với nhau bằng lò xo, luôn rung lắc quanh vị trí của mình. Khi nóng lên, chúng rung mạnh hơn. Do lực giữa các nguyên tử không đối xứng hoàn toàn, rung mạnh hơn khiến khoảng cách trung bình giữa chúng tăng lên một chút.
Mỗi khoảng cách chỉ tăng rất ít, nhưng một thanh dài gồm vô số nguyên tử xếp nối nhau, nên tổng chiều dài tăng lên thấy được. Thanh càng dài, nhiệt độ thay đổi càng nhiều, độ dài thêm càng lớn.
Mỗi vật liệu nở một mức khác nhau. Nhôm nở nhiều hơn sắt, sắt nở nhiều hơn thuỷ tinh thường, thuỷ tinh chịu nhiệt nở rất ít. Bê tông và thép nở gần như nhau, một sự trùng hợp may mắn làm bê tông cốt thép bền chắc qua nắng mưa.
Nước là một ngoại lệ thú vị: trong khoảng từ không tới bốn độ, nước lạnh đi lại nở ra, và nước đá nhẹ hơn nước lỏng. Nhưng ở nhiệt độ thường ngày, nước cũng nở ra khi nóng như các chất khác.
Cầu, đường ray và sân thượng bê tông
Một cây cầu thép hay bê tông dài hàng trăm mét có thể dài thêm một đoạn đáng kể giữa đêm mát và trưa nắng. Nếu hai đầu bị gắn chặt, lực nở sẽ làm cầu cong vênh hoặc đẩy nứt mố cầu. Vì thế người ta chừa khe co giãn, những tấm thép răng lược hay khe cao su mà bạn cảm thấy xe xóc nhẹ khi chạy qua.
Đường ray tàu hoả thời xưa có khe hở ở mối nối giữa các thanh ray, tạo nên tiếng tạch tạch quen thuộc. Nhiều tuyến hiện đại hàn liền ray thành những đoạn rất dài và được lắp đặt có tính toán ứng suất, kẹp chặt xuống tà vẹt để ray chịu lực mà không bị cong.
Sân thượng bê tông phơi nắng cả ngày, đêm lại nguội, co giãn liên tục. Nếu không có khe co giãn và lớp chống thấm phù hợp, bê tông dễ nứt chân chim, nước thấm xuống trần. Gạch lát ngoài trời mà lát quá khít, không chừa ron, có thể bị phồng bật lên vào ngày nắng gắt.
Những chi tiết này nằm khuất, ít người để ý, nhưng thiếu chúng là công trình tự phá mình qua từng mùa.
Dây điện võng trưa hè, căng sáng mùa đông
Dây điện treo giữa hai cột không được kéo căng hết cỡ, mà luôn được để võng một chút. Trưa hè, dây nóng lên vì nắng và vì dòng điện chạy qua, dài ra, võng xuống thấp hơn. Sáng mùa đông, dây co lại, căng hơn.
Nếu kéo dây thật căng vào mùa hè, đến mùa đông dây co lại có thể kéo gãy cột hoặc đứt dây. Ngược lại, độ võng mùa hè phải được tính sao cho dây vẫn ở cao, cách mặt đất và mái nhà an toàn.
Đây là một lý do khiến hành lang an toàn quanh đường dây điện mà mình kể ở tập trước được tính rộng hơn khoảng cách bạn thấy vào buổi sáng. Dây có thể võng xuống thấp hơn trong ngày nóng và dòng tải lớn.
Ống nước nóng bằng nhựa trong nhà cũng cần chừa khoảng giãn, không đổ bê tông bó cứng chỗ ngoặt, nếu không ống dễ nứt rò sau một thời gian.
Ly thuỷ tinh nứt khi rót nước sôi
Thuỷ tinh thường dẫn nhiệt kém. Khi rót nước sôi vào một ly dày, lớp mặt trong nóng lên ngay và nở ra, trong khi lớp mặt ngoài vẫn còn lạnh, chưa nở. Lớp trong muốn to ra, lớp ngoài giữ lại. Thuỷ tinh rất giòn, không chịu được lực căng đó lâu, vết nứt xuất hiện.
Ly càng dày càng dễ nứt, vì chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt lớn hơn và kéo dài hơn. Ly mỏng nóng đều nhanh nên ít bị hơn.
Thuỷ tinh chịu nhiệt dùng cho đồ nấu nướng, bình pha trà, được làm từ loại có độ giãn nở rất thấp, nên chênh lệch nhiệt độ ít gây lực căng. Dù vậy, chuyển đồ thuỷ tinh từ ngăn đá vào lò nóng ngay lập tức vẫn có thể làm vỡ.
Mẹo an toàn: tráng ly bằng nước ấm trước khi rót nước sôi, đặt một chiếc thìa kim loại vào ly để hút bớt nhiệt, không đặt nồi thuỷ tinh nóng lên mặt đá lạnh hay mặt bàn ướt. Thuỷ tinh vỡ do nhiệt có thể bắn mảnh, cẩn thận với trẻ nhỏ đứng gần.
Biến giãn nở thành công cụ: nắp hũ, nhiệt kế và rơ le bàn là
Hũ dưa muối nắp kim loại vặn chặt không mở được? Dội nước nóng lên nắp vài chục giây. Kim loại nở nhiều hơn thuỷ tinh, nắp nới ra một chút, thêm cái lót khăn là xoay được.
Nhiệt kế thuỷ ngân hay nhiệt kế rượu màu ngày trước hoạt động bằng giãn nở: chất lỏng trong bầu nở ra, dâng lên ống rất mảnh, nên một chút nở thêm cũng thành một đoạn dài thấy được. Nhiệt kế thuỷ ngân vỡ cần được thu dọn đúng cách vì hơi thuỷ ngân độc, nhiều nơi đã chuyển sang nhiệt kế điện tử.
Trong bàn là và nhiều thiết bị cũ có một chi tiết tên là băng kép: hai lá kim loại khác loại dán chặt vào nhau. Khi nóng, một lá nở nhiều hơn lá kia, cả băng cong về một phía và đẩy hở tiếp điểm, ngắt điện. Nguội lại, băng thẳng ra, tiếp điểm đóng, bàn là nóng lại. Đó là cách bàn là tự giữ nhiệt độ mà không cần mạch điện tử.
Câu hỏi để bạn nghĩ tiếp: nếu mọi vật nở ra khi nóng, thì vì sao một khối khí trong quả bóng bay lại nở ra nhiều hơn hẳn chất rắn, và điều đó liên quan gì tới chiếc tủ lạnh trong bếp?
Câu hỏi thường gặp
Vì sao lốp xe bơm căng giữa trưa nắng dễ nổ hơn?
Không khí trong lốp nóng lên vì nắng và vì ma sát khi chạy, áp suất tăng theo. Lốp đã bơm quá căng từ trước thì áp suất có thể vượt ngưỡng chịu đựng. Nên bơm đúng áp suất khuyến nghị khi lốp còn nguội.
Vì sao rót nước sôi vào cốc sứ ít khi nứt?
Nhiều loại sứ và gốm chịu sốc nhiệt tốt hơn thuỷ tinh thường, và cốc thường có thành đủ dày để ổn định. Tuy vậy cốc sứ có vết rạn sẵn vẫn có thể nứt khi gặp nóng đột ngột.
Đường bê tông có khe co giãn không?
Có. Mặt đường bê tông được cắt thành từng tấm với khe co giãn giữa các tấm để bê tông co giãn theo nhiệt độ mà không nứt lung tung. Các khe này thường được chèn vật liệu đàn hồi.
Vì sao nắp chai thuỷ tinh ướp lạnh lại khó mở?
Khi lạnh, nắp kim loại co lại nhiều hơn cổ chai thuỷ tinh, ôm chặt hơn. Ngoài ra không khí bên trong co lại cũng có thể tạo chênh áp hút nắp xuống.
Nhà bị nứt có phải do giãn nở vì nhiệt không?
Có thể là một nguyên nhân, nhất là vết nứt ở sân thượng, tường hướng tây hay chỗ nối giữa vật liệu khác nhau. Nhưng nứt cũng có thể do lún móng hay kết cấu yếu, nên vết nứt lớn hoặc phát triển dần cần được kỹ sư xây dựng kiểm tra.
