Bài viết này sẽ giải thích khái niệm mật độ (density) và giãn nở nhiệt (thermal expansion), cùng với tầm quan trọng của chúng trong các ứng dụng khoa học và kỹ thuật, giúp bạn hiểu rõ hơn về những đặc tính vật lý này.
Density là gì?
Mật độ (density) hay còn gọi là mật độ thể tích hoặc khối lượng riêng là một đại lượng vật lý quan trọng, phản ánh khối lượng của một vật liệu trong một thể tích nhất định. Nó được tính bằng công thức:
\[Density = \frac{{Mass}}{{Volume}}\]
Trong đó:
- Mass (m) là khối lượng của vật liệu (thường đo bằng kilogam hoặc gram).
- Volume (v) là thể tích mà vật liệu chiếm giữ (thường đo bằng mét khối hoặc centimet khối).
- Density (ρ) là khối lượng riêng của vật liệu
Mật độ thường được biểu diễn bằng các đơn vị như kg/m³ hoặc g/cm³.
Tại sao mật độ quan trọng?
Mật độ không chỉ ảnh hưởng đến trọng lượng của vật liệu mà còn quyết định khả năng vận chuyển, xử lý và ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau. Dưới đây là một số lý do cụ thể về tầm quan trọng của mật độ:
- Tính chất cơ học: Mật độ cao thường liên quan đến độ bền cao và khả năng chịu lực tốt. Ví dụ, các vật liệu như thép có mật độ cao, thường được sử dụng trong xây dựng và sản xuất.
- Dẫn nhiệt và dẫn điện: Mật độ ảnh hưởng đến khả năng dẫn nhiệt và dẫn điện của vật liệu. Vật liệu có mật độ cao thường có khả năng dẫn điện và nhiệt tốt hơn.
- Ứng dụng trong thiết kế: Trong lĩnh vực thiết kế sản phẩm, hiểu biết về mật độ giúp các kỹ sư chọn lựa vật liệu phù hợp cho từng ứng dụng. Ví dụ, trong ngành hàng không, việc sử dụng vật liệu nhẹ nhưng chắc chắn rất quan trọng.
Thermal Expansion là gì?
Giãn nở nhiệt (thermal expansion) là hiện tượng mà vật liệu nở ra khi nhiệt độ tăng và co lại khi nhiệt độ giảm. Điều này xảy ra do sự tăng cường hoạt động của các phân tử trong vật liệu khi nhiệt độ tăng lên. Giãn nở nhiệt có thể được phân chia thành ba loại:
- Giãn nở dài: Liên quan đến sự thay đổi chiều dài của vật liệu.
- Giãn nở diện tích: Liên quan đến sự thay đổi diện tích của vật liệu.
- Giãn nở thể tích: Liên quan đến sự thay đổi thể tích của vật liệu.
Hệ số giãn nở nhiệt
Hệ số giãn nở nhiệt, thường được ký hiệu là α (alpha), đo lường mức độ thay đổi chiều dài của vật liệu khi nhiệt độ thay đổi. Công thức tính hệ số giãn nở nhiệt là:
\[\alpha = \frac{{\Delta L/{L_0}}}{{\Delta T}}\]
Trong đó:
- \(\Delta L\): Thay đổi chiều dài.
- : Chiều dài ban đầu.
- \(\Delta T\): Thay đổi nhiệt độ
Tầm quan trọng của giãn nở nhiệt
Giãn nở nhiệt là một yếu tố quan trọng trong thiết kế và chế tạo các sản phẩm, đặc biệt trong các lĩnh vực như cơ khí, điện tử và xây dựng. Dưới đây là một số ứng dụng và tầm quan trọng của giãn nở nhiệt:
- Ngành xây dựng: Khi xây dựng các công trình, việc tính toán sự giãn nở nhiệt của các vật liệu là rất quan trọng để ngăn ngừa nứt hoặc hư hỏng. Các kỹ sư thường sử dụng các khe co giãn để giải quyết vấn đề này.
- Ngành cơ khí: Trong thiết kế máy móc, giãn nở nhiệt có thể ảnh hưởng đến các phần lắp ghép. Nếu không tính toán đúng, nó có thể dẫn đến sự hư hỏng hoặc kém hiệu suất.
- Ngành điện tử: Các linh kiện điện tử thường được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau. Việc hiểu rõ giãn nở nhiệt giúp đảm bảo rằng các linh kiện không bị hư hỏng do sự thay đổi nhiệt độ.
Hệ số giãn nở nhiệt của một số vật liệu thông dụng
Dưới đây là bảng hệ số giãn nở nhiệt (α) của một số vật liệu thông dụng:
| Density | Thermal expansion | ||||||
| ID | Materialnames | [kg/m^3] | [kg/dm^3] | [m/m/C*e-6] | C | [in/in/F*e-6] | F |
| 1 | Steel Carbon | 7850 | 7.85 | 11.7 | 20-100 | 6.500 | 68-212 |
| 2 | Steel for electric sheets | 7850 | 7.85 | ||||
| 3 | Tin bronze (8%Sn) | 8800 | 8.8 | 17.5 | 20-100 | 9.722 | 68-212 |
| 4 | Aluminium bronze (9%Al) | 7600 | 7.6 | 15.6 | 20-100 | 8.667 | 68-212 |
| 5 | Leaded bronze (25%Pb) | 8800 | 8.8 | 18.4 | 20-200 | 10.222 | 68-392 |
| 6 | Dural | 2800 | 2.8 | 22.9 | 20-100 | 12.722 | 68-212 |
| 7 | Aluminium (99.5%) | 2700 | 2.7 | 23.8 | 20-100 | 13.222 | 68-212 |
| 8 | gray iron | 7200 | 7.2 | 8.5 | 20-100 | 4.722 | 68-212 |
| 9 | Copper (99.5%) | 8890 | 8.89 | 17.7 | 25-300 | 9.833 | 77-572 |
| 10 | Brass (70%Cu) | 8550 | 8.55 | 18.5 | 25-100 | 10.278 | 77-212 |
| 11 | Pewter (Sn) | 7280 | 7.28 | 27 | 20 | 15.000 | 68 |
| 12 | Magnesium (Mg) | 1740 | 1.74 | 26 | 20 | 14.444 | 68 |
| 13 | Chrome (Cr) | 7100 | 7.1 | 8 | 20 | 4.444 | 68 |
| 14 | Silver (Ag) | 10500 | 10.5 | 18.9 | 20 | 10.500 | 68 |
| 15 | Titanium (Ti) | 4530 | 4.53 | 9 | 20 | 5.000 | 68 |
| 16 | Wolfram (W) | 19300 | 19.3 | 4.3 | 20 | 2.389 | 68 |
| 17 | Oak-tree | 680 | 0.68 | ||||
| 18 | Spruce | 330 | 0.33 | ||||
| 19 | Pine tree | 500 | 0.5 | ||||
| 20 | Larch | 680 | 0.68 | ||||
| 21 | cork | 250 | 0.25 | ||||
| 22 | Nylon | 1150 | 1.15 | 70-120 | 20-50 | 38.9-66.7 | 68-122 |
| 23 | Polypropylene (PP) | 910 | 0.91 | 180 | 20-50 | 100.000 | 68-122 |
| 24 | polyvinyl chloride (PVC) | 1400 | 1.4 | 80-210 | 20-50 | 44.4-116.7 | 68-122 |
| 25 | pottery | 2400 | 2.4 | 3 | 0-100 | 1.667 | 32-212 |
| 26 | bakelite | 1200 | 1.2 | 21-36 | 0-100 | 44023.000 | 32-212 |
| 27 | silica glass | 2700 | 2.7 | 3.1 | 0-500 | 1.722 | 32-932 |
| 28 | Iridium (Ir) | 22400 | 22.4 | 6.6 | 20 | 3.667 | 68 |
| 29 | Cobalt (Co) | 8800 | 8.8 | 12.6 | 20 | 7.000 | 68 |
| 30 | Silicon (Si) | 2330 | 2.33 | 2.4 | 20 | 1.333 | 68 |
| 31 | Nickel (Ni) | 8900 | 8.9 | 13 | 20 | 7.222 | 68 |
| 32 | Slug (Pb) | 11340 | 11.34 | 29 | 20 | 16.111 | 68 |
| 33 | Platinium (Pt) | 21450 | 21.45 | 9 | 20 | 5.000 | 68 |
| 34 | Carbon- diamond | 3514 | 3.514 | 1.3 | 18 | 0.722 | 64.4 |
| 35 | carbon- graphite | 2220 | 2.22 | 2 | 18 | 1.111 | 64.4 |
| 36 | Uranus (U) | 1870 | 1.87 | 20 | 68 | ||
| 37 | Calcium (Ca) | 1540 | 1.54 | 25 | 20 | 13.889 | 68 |
| 38 | Zinc (Zn) | 7130 | 7.13 | 29 | 20 | 16.111 | 68 |
| 39 | Zircon (Zr) | 6530 | 6.53 | 20 | 68 | ||
| 40 | Gold (Au) | 19290 | 19.29 | 14.2 | 20 | 7.889 | 68 |
| 41 | Iron (Fe) | 7860 | 7.86 | 12.3 | 20 | 6.833 | 68 |
| 42 | Nickel bronze | 8800 | 8.8 | 15.7 | 20-220 | 8.722 | 68-428 |
| 43 | Electron Beam | 1810 | 1.81 | 26.8 | 20-100 | 14.889 | 68-212 |
| 44 | Wrought Copper (99.85%Cu) | 8900 | 8.9 | 17.7 | 25-300 | 9.833 | 77-572 |
| 45 | Wrought Copper (99.5%Cu) | 8890 | 8.89 | 17.5 | 25-300 | 9.722 | 77-572 |
| 46 | Cast brass (Ms 60) | 8300 | 8.3 | 21 | 20-200 | 11.667 | 68-392 |
| 47 | wrought brass (63% Cu) | 8430 | 8.43 | 19 | 25-100 | 10.556 | 77-212 |
| 48 | Alloy steel | 7850 | 7.85 | 11.4 | 20-100 | 6.333 | 68-212 |
| 49 | 14.5 | 20-600 | 8.056 | 68-1112 | |||
| 50 | Premium steel Cr, Ni | 7800 | 7.8 | 15 | 20-100 | 8.333 | 68-212 |
| 51 | 17.3 | 20-400 | 9.611 | 68-752 | |||
| 52 | Premium steel Chrome | 7700 | 7.7 | 10.5 | 20-100 | 5.833 | 68-212 |
| 53 | 11.5 | 20-400 | 6.389 | 68-752 | |||
| 54 | silumin | 2650 | 2.65 | 18.8 | 20-200 | 10.444 | 68-392 |
| 55 | ABS (akrylonitril butadien styren) | 1045 | 1.045 | 0.5-1 | 20-50 | 0.28-0.6 | 68-122 |
| 56 | asphalt | 1200 | 1.2 | ||||
| 57 | asbestos | 2450 | 2.45 | ||||
| 58 | Asbestos carton | 1200 | 1.2 | ||||
| 59 | bakelite | 1270 | 1.27 | 21-36 | 0-100 | 44023.000 | 32-212 |
| 60 | concrete | 1600 | 1.6 | 5.8-6.6 | 0-100 | 3.2-3.7 | 32-212 |
| 61 | brick | 1600 | 1.6 | 3.6-5.8 | 0-100 | 37317.000 | 32-212 |
| 62 | Oak wood (along the fibre) | 650 | 0.65 | 7.6 | 0-100 | 4.222 | 32-212 |
| 63 | Oak wood (plumb on fibre) | 650 | 0.65 | 54.4 | 0-100 | 30.222 | 32-212 |
| 64 | Whitewood (along the fibre) | 620 | 0.62 | 3 | 0-100 | 1.667 | 32-212 |
| 65 | Whitewood(plumb on fibre) | 620 | 0.62 | 58 | 0-100 | 32.222 | 32-212 |
| 66 | hard rubrer | 1325 | 1.325 | 17-28 | 0-100 | 9.4-15.6 | 32-212 |
| 67 | Rude rubber | 940 | 0.94 | 37 | 0-100 | 20.556 | 32-212 |
| 68 | Cured paper | 1250 | 1.25 | ||||
| 69 | pertinax | 1300 | 1.3 | 40 | 0-100 | 22.222 | 32-212 |
| 70 | Furcate polyethylene | 930 | 0.93 | 230 | 20-50 | 127.778 | 68-122 |
| 71 | polyethylentereftalat PETP | 1350 | 1.35 | 70-80 | 20-50 | 38.9-44.4 | 68-122 |
| 72 | polyfenylenoxid PPO/PS (Noryl) | 1080 | 1.08 | 60-70 | 20-50 | 38.9-33.3 | 68-122 |
| 73 | polyfarmaldehyt POM | 1420 | 1.42 | 100-140 | 20-50 | 55-78 | 68-122 |
| 74 | polycarbonate PC | 1220 | 1.22 | 60-70 | 20-50 | 38.9-33.3 | 68-122 |
| 75 | polymethylmetalcrylate PMMA (Umaplex) | 1180 | 1.18 | 70 | 20-50 | 33.333 | 68-122 |
| 76 | polystyrene PS (Krasten) | 1050 | 1.05 | 60-80 | 20-50 | 38.9-44.4 | 68-122 |
| 78 | polytetrafluorethylen PTFE (Teflon) | 2170 | 2.17 | 120 | 20-50 | 66.667 | 68-122 |
| 79 | Jens Glas | 2600 | 2.6 | 3.4-6.3 | 0-100 | 1.9-3.5 | 32-212 |
| 80 | 20,2-34 | 0-500 | 11.2-18.9 | 32-932 | |||
| 81 | Black coal | 905 | 0.905 | ||||
| 82 | Wood coal | 182.5 | 0.1825 | ||||
| 83 | Brown coal | 715 | 0.715 | ||||
Biết được hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu là rất quan trọng trong quá trình thiết kế, giúp đảm bảo các sản phẩm hoạt động hiệu quả trong các điều kiện nhiệt độ khác nhau.
Kết luận
Mật độ và giãn nở nhiệt là hai khái niệm cơ bản trong vật lý và kỹ thuật. Chúng không chỉ ảnh hưởng đến các tính chất của vật liệu mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Hiểu rõ về mật độ và giãn nở nhiệt giúp các kỹ sư và nhà thiết kế đưa ra quyết định đúng đắn trong việc lựa chọn vật liệu và thiết kế sản phẩm, từ đó nâng cao hiệu suất và độ bền của sản phẩm.
