Qu'est-ce que la dilatation volumétrique? (Avec des exemples)

La dilatation volumétrique est un phénomène physique qui implique une variation dans les trois dimensions d'un corps. Le volume ou les dimensions de la plupart des substances augmentent lorsqu'ils sont soumis à la chaleur; C'est un phénomène connu sous le nom de dilatation thermique. Cependant, certaines substances se contractent lorsqu'elles sont chauffées.

Bien que les changements de volume soient relativement faibles pour les solides, ils revêtent une grande importance technique, principalement dans les cas où l'on souhaite assembler des matériaux qui se dilatent différemment.

La forme de certains solides subit une déformation lorsqu’elle est chauffée et peut s’étendre dans certaines directions et se contracter dans d’autres. Cependant, lorsqu'il n'y a qu'une dilatation dans un certain nombre de dimensions, il existe une classification pour ces extensions:

• La dilatation linéaire se produit lorsque la variation dans une dimension particulière prédomine, telle que la longueur, la largeur ou la hauteur du corps.
• La dilatation superficielle est celle où prédomine la variation dans deux des trois dimensions.
• Enfin, la dilatation volumétrique implique une variation des trois dimensions d’un corps.

Concepts de base liés à la dilatation thermique

Énergie thermique

La matière est composée d'atomes en mouvement continu, en mouvement ou en vibration. L'énergie cinétique (ou le mouvement) avec laquelle les atomes se déplacent est appelée énergie thermique. Plus ils se déplacent rapidement, plus ils possèdent d'énergie thermique.

La chaleur

La chaleur est l'énergie thermique transférée entre deux ou plusieurs substances ou d'une substance à une autre à l'échelle macroscopique. Cela signifie qu'un corps chaud peut céder une partie de son énergie thermique et affecter un corps proche de lui.

La quantité d'énergie thermique transférée dépend de la nature du corps à proximité et du milieu qui les sépare.

La température

Le concept de température est fondamental pour étudier les effets de la chaleur, la température d'un corps est la mesure de sa capacité à transférer de la chaleur à d'autres corps.

Deux corps en contact mutuel ou séparés par un milieu approprié (conducteur thermique) seront à la même température s'il n'y a pas de flux de chaleur entre eux. De même, un corps X sera trouvé à une température supérieure à celle d'un corps Y si la chaleur circule de X à Y.

Quelles sont les propriétés de base de la dilatation thermique?

Il est clairement lié à un changement de température: plus la température est élevée, plus l'expansion est importante. Cela dépend aussi de la structure interne du matériau, dans un thermomètre, la dilatation du mercure est beaucoup plus grande que la dilatation du verre qui le contient.

Quelle est la cause fondamentale de la dilatation thermique?

Une augmentation de la température implique une augmentation de l'énergie cinétique des atomes individuels d'une substance. Dans un solide, contrairement à un gaz, les atomes ou les molécules sont étroitement liés, mais leur énergie cinétique (sous la forme de vibrations petites et rapides) sépare les atomes ou les molécules les uns des autres.

Cette séparation entre atomes voisins devient de plus en plus grande et entraîne une augmentation de la taille du solide.

Pour la plupart des substances dans des conditions ordinaires, il n'y a pas de direction privilégiée dans laquelle se produit la dilatation thermique, et une augmentation de la température augmentera la taille du solide d'une certaine fraction dans chaque dimension.

Dilatation linéaire

L'exemple le plus simple de dilatation est l'expansion dans une dimension (linéaire). Il a été constaté expérimentalement que le changement de longueur ΔL d'une substance est proportionnel au changement de température ΔT et à la longueur initiale Lo (figure 1). Nous pouvons représenter cela de la manière suivante:

DL = aLoDT

où α est un coefficient de proportionnalité appelé coefficient de dilatation linéaire et est caractéristique de chaque matériau. Certaines valeurs de ce coefficient sont indiquées dans le tableau A.

Le coefficient de dilatation linéaire est plus élevé pour les matériaux dont la dilatation est supérieure pour chaque degré centigrades à la hausse de leur température.

Dilatation de surface

Lorsqu'un plan est pris à l'intérieur d'un corps solide, de sorte que ce plan est celui qui subit la dilatation thermique (figure 2), la modification de la zone ΔA est donnée par:

DA = 2aA0

où ΔA est le changement dans la zone initiale Ao, T est le changement de température et α est le coefficient de dilatation linéaire.

Dilatation volumétrique

Comme dans les cas précédents, la variation du volume ΔV peut être approchée avec la relation (Figure 3). Cette équation est généralement écrite comme suit:

DV = bVoDT

où β est le coefficient de dilatation volumétrique et est approximativement égal à 3α α τα ßλα 2, les valeurs des coefficients de dilatation volumétrique de certains matériaux sont indiquées.

En général, les substances se dilatent lorsque la température augmente. L'eau constitue l'exception la plus importante à cette règle. L'eau se dilate lorsque sa température augmente lorsqu'elle est supérieure à 4ºC.

Cependant, il se dilate également en diminuant sa température dans la plage de 4 ° C à 0 ° C. Cet effet peut être observé lorsque de l'eau est placée à l'intérieur d'un réfrigérateur, qu'elle se dilate lorsqu'elle gèle et qu'il est difficile d'extraire la glace de son récipient par cette dilatation.

Des exemples

Les différences de dilatation volumétrique peuvent avoir des effets intéressants dans une station-service. Un exemple est le goutte-à-goutte d'essence dans un réservoir qui vient d'être rempli pendant une journée chaude.

L’essence refroidit le réservoir en acier lorsqu’il est coulé, et l’essence et le réservoir se dilatent en fonction de la température de l’air ambiant. Cependant, l’essence se dilate beaucoup plus rapidement que l’acier et s’égoutte donc du réservoir.

La différence de dilatation entre l’essence et le réservoir qui la contient peut poser des problèmes lors de la lecture de l’indicateur de niveau de carburant. La quantité d'essence (masse) laissée dans un réservoir lorsque l'indicateur atteint un niveau de vide est beaucoup plus basse en été qu'en hiver.

L'essence a le même volume aux deux stations lorsque le témoin d'avertissement s'allume, mais comme elle se dilate pendant l'été, sa masse est inférieure.

À titre d'exemple, on peut considérer un réservoir d'essence en acier plein, d'une capacité de 60 litres. Si la température du réservoir et de l’essence est de 15 ° C, quelle quantité d’essence sera déversée lorsqu’ils atteignent une température de 35 ° C?

Le volume du réservoir et de l'essence augmentera en raison de l'augmentation de la température, mais l'essence augmentera plus que le réservoir. Ainsi, l'essence renversée sera la différence de vos changements de volume. L'équation d'expansion volumétrique peut ensuite être utilisée pour calculer les changements de volume:

Le volume déversé par l'élévation de température est alors:

En combinant ces 3 équations en une, nous avons:

À partir du tableau 2, les valeurs du coefficient de dilatation volumétrique sont obtenues en remplaçant les valeurs:

Bien que cette quantité de gaz déversé soit relativement insignifiante comparée à un réservoir de 60 L, l’effet est surprenant puisque l’essence et l’acier se dilatent très rapidement.

Bibliographie

1. Yen Ho Cho, Expansion thermique de solides par Taylor R. ASM International, 1998.
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