Biến dạng nhiệt của vật rắn là biến dạng (thay đổi về hình dạng, kích thước) khi nhiệt độ môi trường xung quanh vật rắn thay đổi. Trong chương trình vật lí phổ thông ta chỉ xét đến biến dạng nhiệt của vật rắn đồng chất có tính đẳng hướng.

1/ thí nghiệm vật lí sự nở dài của vật rắn:
Một vật rắn bằng kim loại đồng chất, một cầu được gắn chặt cố định, một đầu được nối với một bộ phận lẫy có thể mở rộng góc đo khi thanh rắn giãn nở vì nhiệt.
Nung nóng thanh kim loại kim loại ta thấy góc đo mở rộng sau một khoảng thời gian điều này chứng tỏ vật rắn đã bị biến dạng khi nhiệt độ thay đổi.

Thí nghiệm vật lí minh họa sự nở dài của vật rắn khi nhiệt độ thay đổi​

Gọi l_o là chiều dài ban đầu của vật rắn, l chiều dài sau khi biến dạng nhiệt của vật rắn ta có

Biểu thức xác định độ nở dài của vật rắn

Δl=l - l_o=αl_oΔt​

trong đó

• l_o: chiều dài ban đầu của vật rắn
  
• l: chiều dài sau khi giãn nở vì nhiệt của vật rắn
  
• α: hệ số nở dài phụ thuộc vào bản chất của vật rắn
  
• Δt=t₂ - t₁: độ tăng nhiệt độ của vật rắn
  
• Δl: độ nở dài của vật rắn

2/ Thí nghiệm vật lí về sự nở khối của vật rắn
Một vật rắn có dạng hình cầu đồng chất và một vật rắn đồng chất khác hình vành khuyên tròn. Ở nhiệt độ ban đầu (nhiệt độ phòng) ta có thể đưa quả cầu qua hình vành khuyên dễ dàng do đường kính ngoài của quả cầu kim loại nhỏ hơn đường kính trong của vật rắn hình vành khuyên.
Tiến hành nung nóng quả cầu kim loại bằng đèn ga, sau khi nung nóng quả cầu kim loại không thể đi qua được vật rắn hình vành khuyên, điều này chứng tỏ thể tích của của cầu đã tăng lên do nhiệt độ hay nói cách khác vật rắn đã bị biến dạng vì nhiệt.
thí nghiệm vật lí chứng minh sự nở khối của vật rắn
Gọi Vo thể tích ban đầu của vật rắn, V là thể tích sau khi biến dạng nhiệt của vật rắn ta có

Biểu thức độ nở khối của vật rắn

ΔV=V - V_o=β.V_oΔt=3αV_oΔt​

Trong đó:

• V_o: thể tích ban đầu của vật rắn
  
• V: thể tích sau khi giãn nở vì nhiệt của vật rắn
  
• β=3α: hệ số nở khối phụ thuộc vào bản chất của vật rắn
  
• Δt=t₂ - t₁: độ tăng nhiệt độ của vật rắn
  
• ΔV: độ nở khối của vật rắn

Lưu ý: trong trường hợp vật rắn là một tấm kim loại mỏng phẳng biến dạng nhiệt của vật rắn coi như biến dạng về diện tích ta có thể áp dụng công thức

Độ nở diện tích:

ΔS =S - S_o= β'S_oΔt=2αS_oΔt​

Trong đó:

• S_o: diện tích ban đầu của vật rắn
  
• S: diện tích sau khi giãn nở vì nhiệt của vật rắn
  
• β'=2α: hệ số nở diện tích phụ thuộc vào bản chất của vật rắn
  
• Δt=t₂ - t₁: độ tăng nhiệt độ của vật rắn
  
• ΔS: độ nở diện tích của vật rắn

Chứng minh khi nở khối thì ta có β ≈ 3α
Giả sử vật rắn đồng chất đẳng hướng có dạng hình lập phương với các cạnh có chiều dài ban đầu là l_o => thể tích khối lập phương ban đầu V_o=l_o³
Chiều dài của các cạnh sau khi giãn nở vì nhiệt: l=l_o(1 + αΔt)
Thể tích của khối lập phương sau khi giãn nở vì nhiệt:

V=l³=l_o³(1+αΔt)³=V_o(1+3αΔt + 3α²Δt² + α³Δt³)​

lưu ý α rất nhỏ => α$^{2 }$và α$^{3 }$có thể bỏ qua =>

V = V_o(1+3αΔt)=V_o(1+βΔt)​

=> điều phải chứng minh, tương tự cho trường hợp nở thể tích ta có β'=2α

3/ Ứng dụng biến dạng nhiệt của vật rắn
Trong thực tế các vật rắn bị biến dạng nhiệt khi nhiệt độ môi trường thay đổi và tất cả đều nở khối (giãn nở về thể tích) tuy nhiên tùy vào hình dạng của vật rắn sẽ ưu tiên nở khối hay nở dài, ví dụ các vật rắn có dạng thanh dài sẽ ưu tiên nở dài nhiều hơn. Sự giãn nở vì nhiệt của vật rắn là điều không thể tránh khỏi vì thời tiết trên Trái Đất được phân chia thành hai mùa rõ rệt mùa đông (nhiệt độ giảm) và mùa hè (nhiệt độ tăng cao).

Trong xây dựng người ta luôn phải tính đến trường hợp giãn nở vì nhiệt, nếu không các công trình xây dựng có thể bị cong, vênh, nứt, phá hủy do sự giãn nở không đồng đều của các vật rắn khác nhau.

Trong ngành giao thông vận tải đường sắt, khi làm đường ray cho tàu chạy trong thời gian đầu các kỹ sư xây dựng đã bỏ qua tính chất vật lí biến dạng nhiệt của vật rắn, khiến cho các đoạn đường ray bị cong vênh làm mất an toàn và dẫn đến tai nạn tàu trệch bánh.
Để khắc phục hiện tượng biến dạng nhiệt của vật rắn theo thời tiết, trên các đường ray thường bố trí các khe hở để thanh ray có thể giãn nở vì nhiệt mà không làm cong vênh đường ray.

Không chỉ có các kim loại, vật liệu bê tông cốt thép cũng bị giãn nở vì nhiệt nên trên các nhịp cầu đường bộ người ta cũng phải tạo ra các khe hở trên cầu để cho cầu giãn nở vì nhiệt khi thời tiết thay đổi tránh bị cong, vênh và gãy.

Xem thêm:
Tổng hợp lý thuyết, bài tập vật lí lớp 10 chương chất rắn, chất lỏng, sự chuyển thể

nguồn vật lí trực tuyến