Giãn nở là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giãn nở là gì?

Giãn nở là một hiện tượng vật lý xảy ra khi các vật thể thay đổi kích thước – dài ra, rộng ra hoặc nở ra – dưới tác động của nhiệt độ. Quá trình này phản ánh sự thay đổi về năng lượng nội tại của vật chất, cụ thể là năng lượng dao động của các nguyên tử hoặc phân tử cấu thành. Khi nhiệt độ tăng, động năng của các phân tử tăng lên khiến chúng dao động mạnh hơn và tách xa nhau, từ đó làm tăng khoảng cách trung bình giữa các hạt vật chất.

Hiện tượng giãn nở có thể xảy ra ở cả ba trạng thái vật chất: rắn, lỏng và khí. Tuy nhiên, mức độ và cơ chế giãn nở ở mỗi trạng thái là khác nhau. Trong vật rắn, giãn nở thường xảy ra theo chiều dài hoặc thể tích, còn trong chất khí, giãn nở diễn ra mạnh hơn nhiều và chịu ảnh hưởng lớn của áp suất môi trường. Chất lỏng thường có mức giãn nở thấp hơn khí nhưng cao hơn rắn.

Hiểu rõ và kiểm soát hiện tượng giãn nở là điều bắt buộc trong thiết kế và thi công các công trình kỹ thuật, sản phẩm cơ khí, hàng không vũ trụ, và thậm chí trong lĩnh vực y học và công nghệ vật liệu mới. Tham khảo khái niệm chi tiết tại Encyclopedia Britannica – Thermal Expansion.

Các loại giãn nở

Giãn nở được phân loại dựa trên hình thức thay đổi kích thước và trạng thái vật lý của vật chất. Ở vật rắn, do cấu trúc phân tử ổn định, hiện tượng giãn nở thường được biểu hiện theo các dạng hình học cơ bản như chiều dài, diện tích hoặc thể tích. Ngược lại, ở chất khí và lỏng, giãn nở thường xảy ra theo thể tích toàn phần do sự tự do chuyển động lớn của các phân tử.

Các dạng giãn nở chính bao gồm:

• Giãn nở tuyến tính (theo chiều dài): Thường áp dụng cho vật rắn dài như thanh kim loại, dầm thép, dây cáp. Đây là dạng giãn nở dễ tính toán và có ảnh hưởng lớn trong thiết kế kết cấu.
• Giãn nở diện tích: Xảy ra trong các vật thể dạng tấm mỏng hoặc bề mặt phẳng như tấm kính, mặt đường bê tông. Tác động chủ yếu trong các hệ cấu trúc mặt rộng.
• Giãn nở thể tích: Xuất hiện trong chất lỏng và khí là chủ yếu, nhưng cũng có ở vật rắn trong môi trường ba chiều. Đây là loại giãn nở ảnh hưởng lớn đến thể tích chứa và áp suất.

Việc phân loại giúp xác định đúng công thức áp dụng, lựa chọn vật liệu phù hợp và dự đoán được ảnh hưởng thực tế trong môi trường kỹ thuật hoặc công nghiệp.

Phương trình giãn nở

Các phương trình giãn nở mô tả định lượng sự thay đổi kích thước vật thể khi nhiệt độ thay đổi. Dựa vào các thông số như hệ số giãn nở và nhiệt độ, có thể tính toán trước được sự biến thiên chiều dài, diện tích hoặc thể tích của vật liệu trong điều kiện nhiệt cụ thể. Đây là công cụ quan trọng trong thiết kế kỹ thuật chính xác, đặc biệt trong lĩnh vực kết cấu, hàng không và sản xuất vi cơ điện tử (MEMS).

Các phương trình cơ bản:

• Giãn nở tuyến tính: $\Delta L = \alpha L_0 \Delta T$
• Giãn nở diện tích: $\Delta A = 2\alpha A_0 \Delta T$
• Giãn nở thể tích: $\Delta V = \beta V_0 \Delta T$, với $\beta \approx 3\alpha$

Trong các công thức trên:

• $\alpha$: hệ số giãn nở tuyến tính (1/°C)
• $\beta$: hệ số giãn nở thể tích (1/°C)
• $\Delta T$: sự thay đổi nhiệt độ
• $L_0, A_0, V_0$: chiều dài, diện tích, thể tích ban đầu

Việc sử dụng chính xác các phương trình này giúp dự đoán và điều chỉnh kịp thời các tác động nhiệt lên kết cấu, tránh sai số trong chế tạo và lắp ráp cơ khí chính xác.

Hệ số giãn nở

Hệ số giãn nở là đại lượng đặc trưng cho từng vật liệu, phản ánh mức độ thay đổi kích thước của vật thể khi nhiệt độ tăng thêm 1°C hoặc 1K. Giá trị của hệ số giãn nở phụ thuộc vào liên kết nguyên tử và cấu trúc tinh thể của vật liệu. Vật liệu có liên kết yếu hoặc cấu trúc lỏng lẻo thường có hệ số giãn nở cao hơn.

Dưới đây là bảng hệ số giãn nở tuyến tính tiêu biểu của một số vật liệu:

Vật liệu	Hệ số giãn nở tuyến tính $(\alpha \times 10^{-6}/^\circ C)$	Ghi chú
Nhôm	22–24	Cao, dùng trong xây dựng nhẹ
Thép	11–13	Ổn định, phổ biến trong kết cấu
Đồng	16–17	Dẫn nhiệt tốt, dùng trong điện
Thủy tinh borosilicat	~3.3	Thấp, dùng cho ống nghiệm và kính quang học
Silic	2.6	Vật liệu điện tử

Việc nắm rõ hệ số giãn nở giúp kỹ sư lựa chọn vật liệu phù hợp với điều kiện làm việc nhiệt độ thay đổi, giảm rủi ro nứt vỡ hoặc biến dạng không kiểm soát trong sản phẩm và kết cấu.

Giãn nở trong chất rắn

Chất rắn là trạng thái vật chất có cấu trúc phân tử chặt chẽ và định hướng. Do đó, giãn nở trong chất rắn thường biểu hiện chủ yếu dưới dạng giãn nở tuyến tính hoặc thể tích, và xảy ra tương đối đều nếu vật liệu có cấu trúc đẳng hướng. Tuy nhiên, trong các vật liệu dị hướng như tinh thể đơn hoặc vật liệu composite, mức độ giãn nở có thể khác nhau theo từng phương không gian.

Giãn nở trong chất rắn được ứng dụng để giải thích và kiểm soát các hiện tượng thực tế như sự rạn nứt của lớp sơn phủ, độ biến dạng của bộ khung kim loại, hay sự thay đổi độ chính xác của thiết bị đo cơ học trong điều kiện nhiệt độ thay đổi. Trong lĩnh vực xây dựng, các thanh ray đường sắt, dầm cầu và đường bê tông đều phải có khe co giãn để tránh nứt vỡ do giãn nở nhiệt.

Ví dụ kỹ thuật tiêu biểu:

• Cầu thép sử dụng khớp nối và gối trượt để bù giãn nở
• Ống dẫn dầu khí sử dụng vòng bù nhiệt (expansion loop)
• Dụng cụ đo cơ học chính xác dùng hợp kim có hệ số giãn nở cực thấp như Invar

Giãn nở trong chất lỏng và khí

Giãn nở trong chất lỏng xảy ra chủ yếu theo thể tích và thường rõ rệt hơn so với chất rắn, do cấu trúc lỏng cho phép các phân tử dịch chuyển tự do hơn. Tuy nhiên, mức độ giãn nở vẫn bị giới hạn bởi lực hút phân tử và khả năng nén của chất lỏng. Nước là một ngoại lệ quan trọng, vì nó có điểm giãn nở âm giữa 0°C và 4°C – nghĩa là khi bị hạ nhiệt từ 4°C về 0°C, thể tích nước lại tăng lên thay vì giảm.

Ở chất khí, giãn nở tuân theo các định luật khí lý tưởng, đặc biệt là định luật Charles và phương trình trạng thái khí lý tưởng:

$PV = nRT$

Trong đó:

• $P$: áp suất (Pa)
• $V$: thể tích (m³)
• $T$: nhiệt độ (K)
• $n$: số mol khí
• $R$: hằng số khí lý tưởng (~8.314 J/mol·K)

Đối với khí lý tưởng, khi áp suất không đổi, thể tích tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối (tính theo Kelvin). Do đó, chỉ cần tăng nhẹ nhiệt độ cũng có thể làm tăng đáng kể thể tích hoặc áp suất trong hệ kín – yếu tố đặc biệt quan trọng trong kỹ thuật nồi hơi, máy nén, hoặc động cơ nhiệt.

Ảnh hưởng của giãn nở trong kỹ thuật

Trong môi trường kỹ thuật và công nghiệp, giãn nở nhiệt có thể tạo ra ứng suất nhiệt trong cấu trúc, dẫn đến biến dạng, nứt gãy, hoặc mất ổn định hình học nếu không được tính toán đúng. Đặc biệt trong các hệ thống đa vật liệu, sự khác biệt về hệ số giãn nở có thể gây tách lớp, gãy dính hoặc mỏi nhiệt tại giao diện giữa các lớp vật liệu.

Các ảnh hưởng phổ biến cần kiểm soát:

• Biến dạng nhiệt của cánh turbine trong động cơ phản lực
• Giãn nở ống dẫn khí nóng, dẫn đến rò rỉ hoặc phá hủy nối hàn
• Co ngót không đồng đều trong bản mạch điện tử (PCB) gây đứt mạch

Giải pháp kỹ thuật được áp dụng để kiểm soát hoặc bù trừ giãn nở nhiệt:

• Thiết kế khe giãn nở và vòng bù co giãn (expansion joints)
• Chọn vật liệu có hệ số giãn nở đồng bộ trong các cụm lắp ghép
• Áp dụng kỹ thuật cơ học chính xác và hợp kim đặc biệt (ví dụ: Invar, Zerodur)

Giãn nở bất thường và vật liệu thông minh

Một số vật liệu đặc biệt có khả năng giãn nở âm, tức là co lại khi được nung nóng. Các hợp chất như ZrW₂O₈ thể hiện đặc tính này trên phạm vi nhiệt độ rộng, từ vài K đến trên 1000 K. Điều này trái ngược với trực giác và có tiềm năng ứng dụng cao trong thiết kế vật liệu ổn định nhiệt.

Các vật liệu thông minh hiện đại còn có khả năng điều khiển hệ số giãn nở theo môi trường thông qua cấu trúc nội vi hoặc thành phần vật lý – ví dụ như vật liệu metamaterial, vật liệu in 3D có cấu trúc khớp xoay vi mô, hoặc composite tích hợp sợi carbon và polymer mềm.

Vật liệu composite cũng được nghiên cứu để tạo ra hệ số giãn nở tổng thể bằng 0 hoặc điều chỉnh được. Việc phối trộn các pha vật liệu có hệ số giãn nở đối lập giúp tạo ra hệ composite "zero expansion" hoặc tùy biến theo hướng mong muốn.

Tài liệu tham khảo

1. Incropera, F. P., DeWitt, D. P., Bergman, T. L., & Lavine, A. S. (2006). Fundamentals of Heat and Mass Transfer. Wiley.
2. Callister, W. D., & Rethwisch, D. G. (2020). Materials Science and Engineering: An Introduction. Wiley.
3. Engineering Toolbox. Thermal Expansion of Solids. Link
4. Britannica. Thermal Expansion. Link
5. Barrera, G. D., Bruno, J. A. O., Barron, T. H. K., & Allan, N. L. (2005). Negative thermal expansion. Journal of Physics: Condensed Matter, 17(4), R217. DOI