Giãn nở nhiệt là gì?
Giãn nở nhiệt (thermal expansion) là hiện tượng vật liệu thay đổi kích thước — nở ra khi nhiệt độ tăng và co lại khi nhiệt độ giảm — do các nguyên tử trong cấu trúc vật liệu dao động mạnh hơn khi được cung cấp nhiệt năng. Đây là đặc tính vật lý phổ biến của hầu hết vật liệu rắn, lỏng và khí, có ý nghĩa quan trọng trong thiết kế kết cấu công trình.
Phân loại giãn nở nhiệt
- Giãn nở tuyến tính (linear expansion): Thay đổi chiều dài theo một chiều — phổ biến nhất trong tính toán kết cấu.
- Giãn nở diện tích (area expansion): Thay đổi diện tích bề mặt, ΔA ≈ 2α×A₀×ΔT.
- Giãn nở thể tích (volumetric expansion): Thay đổi thể tích, ΔV = 3α×V₀×ΔT (đối với vật liệu đẳng hướng).
Công thức giãn nở tuyến tính
Độ thay đổi chiều dài của một thanh vật liệu khi nhiệt độ thay đổi:
ΔL = α × L₀ × ΔT
Trong đó: ΔL là độ thay đổi chiều dài (m), α là hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính (1/°C hoặc 1/K), L₀ là chiều dài ban đầu (m), ΔT là độ thay đổi nhiệt độ (°C hoặc K). Chiều dài mới: L = L₀ × (1 + α×ΔT).
Ví dụ tính toán thực tế
Một thanh thép dài 100 m (α = 12×10⁻⁶/°C) chịu chênh lệch nhiệt độ 40°C (từ mùa đông -5°C đến mùa hè 35°C):
ΔL = 12×10⁻⁶ × 100 × 40 = 0,048 m = 48 mm
Đây là lý do tại sao cầu thép dài 100 m cần khe co giãn có khả năng hấp thụ gần 50 mm biến dạng nhiệt.
Giãn nở nhiệt trong các loại vật liệu
| Vật liệu | α (×10⁻⁶/°C) | ΔL cho 1m / 10°C |
|---|---|---|
| Nhôm | 23 | 0,23 mm |
| PVC | 50 – 80 | 0,5 – 0,8 mm |
| Đồng | 17 | 0,17 mm |
| Thép | 12 | 0,12 mm |
| Bê tông | 10 – 12 | 0,10 – 0,12 mm |
| Gạch | 5 – 8 | 0,05 – 0,08 mm |
| Gỗ (dọc thớ) | 3 – 5 | 0,03 – 0,05 mm |
| Kính | 8 – 9 | 0,08 – 0,09 mm |
Tác động trong thiết kế công trình
Giãn nở nhiệt tạo ra ứng suất nội trong kết cấu nếu biến dạng bị cản trở. Ứng suất nhiệt tính theo công thức: σ = E × α × ΔT, trong đó E là mô đun đàn hồi. Với thép (E = 210.000 MPa, α = 12×10⁻⁶) bị giữ cố định chịu ΔT = 50°C: σ = 210.000 × 12×10⁻⁶ × 50 = 126 MPa — đây là ứng suất đáng kể cần được kiểm soát bằng khe nhiệt.
Giãn nở nhiệt dị hướng
Một số vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau theo các chiều khác nhau (anisotropic). Gỗ giãn nở theo chiều ngang thớ gấp 5–10 lần so với chiều dọc thớ. Composites sợi carbon có giãn nở nhiệt gần bằng 0 theo chiều sợi, cho phép thiết kế kết cấu siêu ổn định nhiệt.
Câu hỏi thường gặp
- Tại sao ống nước nhựa PVC cần ống nối giãn nở?
- PVC có α = 50–80×10⁻⁶/°C — cao hơn thép 4–7 lần. Ống PVC dài 10m chịu ΔT = 30°C có thể giãn thêm 15–24 mm, cần ống nối bù giãn nở để tránh uốn cong hoặc tách khớp.
- Giãn nở nhiệt có nguy hiểm cho kết cấu bê tông cốt thép không?
- Bê tông và thép có α rất gần nhau (10–12×10⁻⁶/°C), nên ứng suất giữa hai vật liệu trong BTCT do giãn nở nhiệt rất nhỏ — đây là một trong những lý do thép và bê tông kết hợp hoàn hảo.