Giãn nở nhiệt là gì? Các nghiên cứu khoa học về Giãn nở nhiệt

Định nghĩa giãn nở nhiệt

Giãn nở nhiệt là hiện tượng vật lý xảy ra khi một vật thể thay đổi kích thước — bao gồm chiều dài, diện tích hoặc thể tích — dưới tác động của sự thay đổi nhiệt độ. Ở hầu hết các vật liệu, sự gia tăng nhiệt độ dẫn đến sự nở ra của vật thể, trong khi sự giảm nhiệt độ khiến vật thể co lại. Nguyên nhân là do khi nhiệt độ tăng, các phân tử dao động mạnh hơn và đẩy nhau xa hơn, làm tăng khoảng cách trung bình giữa chúng.

Giãn nở nhiệt không chỉ là hệ quả đơn giản của việc nóng lên mà còn phụ thuộc vào đặc tính liên kết nguyên tử trong vật liệu. Vật liệu có liên kết yếu thường có mức giãn nở lớn hơn. Hiện tượng này xảy ra trong tất cả các trạng thái vật chất – rắn, lỏng và khí – nhưng biểu hiện rõ nhất trong chất khí và dễ quan sát trong chất rắn. Từ cầu đường đến thiết bị điện tử, hiện tượng này ảnh hưởng đến nhiều lĩnh vực kỹ thuật và đời sống.

Giãn nở nhiệt không đồng đều giữa các vật liệu khác nhau dẫn đến sự chênh lệch trong ứng xử cơ học, và do đó phải được tính đến trong thiết kế kỹ thuật. Một số vật liệu đặc biệt thậm chí có hệ số giãn nở âm trong những điều kiện cụ thể, nghĩa là co lại khi được nung nóng.

Phân loại giãn nở nhiệt

Giãn nở nhiệt có thể được phân loại dựa trên hình thức mở rộng của vật thể, bao gồm ba loại chính: giãn nở chiều dài, giãn nở diện tích, và giãn nở thể tích. Trong mỗi trường hợp, sự biến đổi về kích thước được mô tả bằng công thức riêng biệt với các hệ số vật liệu đặc trưng.

Giãn nở chiều dài xảy ra chủ yếu trong vật rắn có hình dạng thanh hoặc dây. Ví dụ: một thanh sắt dài sẽ dài hơn khi bị nung nóng. Giãn nở diện tích áp dụng cho các vật phẳng như tấm kim loại hoặc màng vật liệu. Còn giãn nở thể tích thường áp dụng cho chất lỏng và khí, do toàn bộ khối lượng vật chất trong các pha này đều dễ thay đổi kích thước đồng đều theo nhiệt độ.

Dưới đây là bảng so sánh ba dạng giãn nở phổ biến:

Loại giãn nở	Ứng dụng tiêu biểu	Đối tượng vật liệu
Chiều dài	Dây điện, thanh thép	Chất rắn
Diện tích	Tấm kính, bề mặt bảng mạch	Chất rắn phẳng
Thể tích	Chất lỏng trong nhiệt kế, không khí trong piston	Chất lỏng, khí

Phương trình giãn nở nhiệt

Hiện tượng giãn nở nhiệt có thể được mô tả định lượng bằng các phương trình tuyến tính trong giới hạn nhiệt độ không quá cao. Với giãn nở chiều dài, công thức sử dụng là:
$\Delta L = \alpha L_0 \Delta T$
Trong đó, $\Delta L$ là độ thay đổi chiều dài, $\alpha$ là hệ số giãn nở dài của vật liệu, $L_0$ là chiều dài ban đầu, và $\Delta T$ là độ tăng nhiệt độ (°C hoặc K).

Đối với diện tích, công thức được điều chỉnh thành:
$\Delta A = 2\alpha A_0 \Delta T$
Và đối với thể tích:
$\Delta V = \beta V_0 \Delta T$ với $\beta \approx 3\alpha$ đối với chất rắn đẳng hướng.

Các công thức trên chỉ chính xác trong khoảng nhiệt độ mà sự giãn nở là tuyến tính. Ở điều kiện nhiệt độ cực cao hoặc khi vật liệu trải qua chuyển pha (như nóng chảy hoặc kết tinh), mô hình tuyến tính không còn đúng và cần mô hình phi tuyến hoặc thực nghiệm để mô tả chính xác.

Hệ số giãn nở nhiệt

Hệ số giãn nở nhiệt là thông số đặc trưng cho mức độ nhạy cảm của vật liệu với sự thay đổi nhiệt độ. Mỗi vật liệu có một hệ số riêng, phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể, liên kết nguyên tử và trạng thái vật lý. Hệ số này thường được ký hiệu là $\alpha$ cho giãn nở dài và $\beta$ cho giãn nở thể tích.

Vật liệu kim loại thường có hệ số giãn nở cao do các liên kết kim loại kém bền hơn liên kết cộng hóa trị hoặc ion. Ngược lại, vật liệu gốm, thủy tinh borosilicat hay hợp kim đặc biệt có hệ số rất nhỏ, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu ổn định kích thước khi thay đổi nhiệt độ.

Dưới đây là bảng hệ số giãn nở dài của một số vật liệu phổ biến (đơn vị: K⁻¹):

Vật liệu	Hệ số $\alpha$ (K⁻¹)	Ghi chú
Nhôm	2.4 × 10⁻⁵	Giãn nở lớn, nhẹ
Thép	1.2 × 10⁻⁵	Ổn định, chịu nhiệt tốt
Đồng	1.7 × 10⁻⁵	Truyền nhiệt tốt
Thủy tinh borosilicat	3.3 × 10⁻⁶	Chịu sốc nhiệt cao

Giãn nở nhiệt trong chất khí

Chất khí là pha vật chất có mức độ giãn nở nhiệt lớn nhất. Vì các phân tử khí gần như không tương tác với nhau và chuyển động tự do, khi tăng nhiệt độ, động năng của chúng tăng lên, làm cho thể tích khí tăng nhanh nếu không gian cho phép. Mối quan hệ giữa thể tích và nhiệt độ trong điều kiện áp suất không đổi được mô tả bằng định luật Charles:

$V \propto T \quad \text{(khi P không đổi)}$, hay $\frac{V}{T} = \text{hằng số}$

Trong hệ đo Kelvin, nếu tăng nhiệt độ từ 273 K lên 546 K thì thể tích của khí lý tưởng tăng gấp đôi, với điều kiện áp suất và lượng khí không đổi. Đây là nền tảng cho nhiều ứng dụng như bóng bay, máy nén khí, và các hệ thống điều hòa.

Ở điều kiện thực tế, khí không lý tưởng hoàn toàn, do đó hiệu ứng giãn nở có thể bị điều chỉnh bởi yếu tố như độ ẩm, áp suất cao hoặc thành phần phân tử phức tạp. Tuy nhiên, định luật Charles vẫn là một mô hình gần đúng hiệu quả cho đa số ứng dụng kỹ thuật.

Ứng dụng thực tế của giãn nở nhiệt

Giãn nở nhiệt được khai thác hoặc cần được kiểm soát trong hàng loạt hệ thống kỹ thuật. Trong ngành xây dựng, các khe co giãn trên cầu đường được thiết kế để hấp thụ sự thay đổi chiều dài của vật liệu do biến thiên nhiệt độ trong ngày và theo mùa. Nếu không có các khe này, mặt cầu có thể bị uốn cong, nứt gãy hoặc làm biến dạng móng.

Trong ngành cơ khí, các thiết bị như bimetal (dải kép kim loại) trong rơle nhiệt hoạt động dựa trên sự chênh lệch hệ số giãn nở giữa hai lớp kim loại. Khi nhiệt độ tăng, dải này sẽ uốn cong theo hướng vật liệu giãn nở nhiều hơn, từ đó đóng hoặc ngắt mạch điện.

Danh sách một số ứng dụng tiêu biểu của giãn nở nhiệt:

• Khe co giãn trong cầu và đường ray
• Ống giãn nở trong hệ thống cấp nhiệt và điều hòa
• Rơle nhiệt, công tắc bảo vệ
• Nhiệt kế thủy ngân và rượu
• Bình giãn nở trong lò hơi

Ảnh hưởng trong kỹ thuật và công trình

Trong các công trình lớn như nhà cao tầng, cầu treo hay nhà máy, giãn nở nhiệt là một yếu tố không thể bỏ qua. Nếu không tính toán đúng, biến đổi kích thước có thể tạo ra ứng suất dư làm nứt kết cấu hoặc hỏng thiết bị. Ví dụ: đường ray tàu hỏa nếu không có khe hở giãn nở có thể bị cong vồng trong mùa hè do nhiệt độ cao.

Kỹ sư cần áp dụng các biện pháp giảm thiểu tác động của giãn nở như:

• Sử dụng vật liệu có hệ số giãn nở nhỏ trong các cấu kiện dài
• Bố trí khe nhiệt, lớp cách nhiệt và mối nối linh hoạt
• Thiết kế hệ thống treo, gối đỡ có khả năng hấp thụ biến dạng

Trong công nghệ vi mạch, giãn nở nhiệt có thể gây đứt mạch hàn, sai lệch vị trí linh kiện hoặc mất kết nối do các vật liệu khác nhau giãn nở không đồng đều. Vì thế, việc lựa chọn vật liệu có hệ số giãn nở đồng nhất là tối quan trọng.

Vật liệu có giãn nở nhiệt âm

Một số vật liệu hiếm có hệ số giãn nở nhiệt âm – tức là chúng co lại khi được nung nóng. Đây là hiện tượng phi cổ điển và thường xuất hiện trong một khoảng nhiệt độ cụ thể. Một ví dụ điển hình là hợp chất zirconium tungstate (ZrW₂O₈), có hệ số giãn nở âm trong khoảng từ 0.3 K đến 1050 K.

Bảng dưới đây thể hiện một số vật liệu và phạm vi nhiệt độ có giãn nở âm:

Vật liệu	Hệ số giãn nở	Khoảng nhiệt độ
ZrW₂O₈	-8.7 × 10⁻⁶ K⁻¹	0.3 K – 1050 K
Graphene (theo chiều ngang)	-7 × 10⁻⁶ K⁻¹	Dưới 400 K
Silica thủy tinh (kết cấu đặc biệt)	-0.5 × 10⁻⁶ K⁻¹	~20°C – 100°C

Vật liệu có hệ số âm được nghiên cứu để ứng dụng trong ngành hàng không, quang học chính xác và thiết bị đo lường, nơi mà sự ổn định hình học ở điều kiện nhiệt độ biến thiên là tối quan trọng.

Các mô hình và nghiên cứu mới về giãn nở nhiệt

Tiến bộ trong mô phỏng lượng tử và kỹ thuật nano cho phép dự đoán giãn nở nhiệt ở cấp nguyên tử với độ chính xác cao. Phương pháp lý thuyết hàm mật độ (DFT – Density Functional Theory) được sử dụng để mô phỏng cấu trúc tinh thể và dự đoán hành vi giãn nở mà không cần thực nghiệm tốn kém.

Các nghiên cứu gần đây tập trung vào:

• Tạo vật liệu composite có tổng giãn nở gần bằng 0 bằng cách trộn vật liệu dương và âm
• Thiết kế cấu trúc nano cơ học để bù trừ giãn nở
• Khám phá các pha mới có tính chất giãn nở phi tuyến tính

Các nghiên cứu này có tác động đến ngành hàng không vũ trụ, điện tử siêu nhỏ (MEMS), và in 3D kim loại nhiệt độ cao.

Tài liệu tham khảo

1. National Institute of Standards and Technology (NIST). https://www.nist.gov
2. American Society of Mechanical Engineers (ASME). Thermal Expansion Overview
3. MIT OpenCourseWare. https://ocw.mit.edu
4. J. D. Van Wylen & R. E. Sonntag, Fundamentals of Classical Thermodynamics, Wiley, 1994.
5. ScienceDirect – Thermal Expansion Research. Link
6. Nature Materials Journal. https://www.nature.com/nmat/
7. Greve, B. K. et al. (2010). Pronounced negative thermal expansion from a simple structure: ZrW₂O₈. Nature Materials, 9(5), 439–443.