Dilatation thermique: coefficient, types et exercices
La dilatation thermique est l'augmentation ou la variation de diverses dimensions métriques (telles que la longueur ou le volume) subies par un corps ou un objet physique. Ce processus se produit en raison de l'augmentation de la température entourant le matériau. Dans le cas d'une dilatation linéaire, ces changements se produisent dans une seule dimension.
Le coefficient de cette dilatation peut être mesuré en comparant la valeur de la quantité avant et après le processus. Certains matériaux subissent l’inverse de la dilatation thermique; c'est-à-dire que cela devient "négatif". Ce concept propose que certains matériaux se contractent lorsqu'ils sont exposés à certaines températures.
Comme pour les solides, un coefficient de dilatation linéaire est utilisé pour décrire leur expansion. D'autre part, un coefficient de dilatation volumétrique est utilisé pour que les liquides effectuent les calculs.
Dans le cas de solides cristallisés, si elle est isométrique, la dilatation sera générale dans toutes les dimensions du cristal. Si ce n'est pas isométrique, différents coefficients de dilatation peuvent être trouvés le long du cristal, et sa taille changera lors du changement de température.
Coefficient de dilatation thermique
Le coefficient de dilatation thermique (Y) est défini comme le rayon de changement par lequel un matériau passe sous l'effet de la modification de sa température. Ce coefficient est représenté par le symbole α pour les solides et β pour les liquides, et est guidé par le Système international d'unités.
Les coefficients de dilatation thermique varient en matière solide, liquide ou gazeuse. Chacun a une particularité différente.
Par exemple, la dilatation d'un solide peut être vue sur une longueur. Le coefficient volumétrique est l’un des plus fondamentaux en ce qui concerne les fluides et les changements sont remarquables dans toutes les directions; Ce coefficient est également utilisé lors du calcul de la dilatation d'un gaz.
Dilatation thermique négative
La dilatation thermique négative se produit dans certains matériaux qui, au lieu d’augmenter leur taille à des températures élevées, se contractent en raison des basses températures.
Ce type de dilatation thermique est généralement observé dans les systèmes ouverts où des interactions directionnelles sont observées - comme dans le cas de la glace - ou dans des composés complexes - comme cela se produit avec certaines zéolithes, Cu2O, entre autres.
De même, certaines études ont montré que la dilatation thermique négative se produisait également dans des réseaux à un composant sous forme compacte et avec une interaction de force centrale.
On peut voir un exemple clair de dilatation thermique négative lorsqu’on ajoute de la glace à un verre d’eau. Dans ce cas, la température élevée du liquide sur la glace ne provoque aucune augmentation de taille, mais réduit plutôt la taille de celui-ci.
Types
Lors du calcul de la dilatation d'un objet physique, il faut tenir compte du fait que, en fonction du changement de température, ledit objet peut augmenter ou se contracter.
Certains objets ne nécessitent pas de changement radical de température pour modifier leur taille. Il est donc probable que la valeur renvoyée par les calculs soit moyenne.
Comme tous les processus, la dilatation thermique est divisée en plusieurs types qui expliquent chaque phénomène séparément. Dans le cas des solides, les types de dilatation thermique sont la dilatation linéaire, la dilatation volumétrique et la dilatation de surface.
Dilatation linéaire
En dilatation linéaire, une seule variation prédomine. Dans ce cas, la seule unité qui subit un changement est la hauteur ou la largeur de l'objet.
Un moyen simple de calculer ce type de dilatation consiste à comparer la valeur de la quantité avant le changement de température à la valeur de la quantité après le changement de température.
Dilatation volumétrique
Dans le cas d'une dilatation volumétrique, la manière de la calculer consiste à comparer le volume du fluide avant le changement de température au volume du fluide après le changement de température. La formule pour le calculer est la suivante:
Dilatation de surface ou de surface
Dans le cas d'une dilatation superficielle, on observe une augmentation de la surface d'un corps ou d'un objet lorsqu'il y a un changement de température à 1 ° C.
Cette dilatation fonctionne pour les solides. Si vous avez également le coefficient linéaire, vous pouvez voir que la taille de l'objet sera deux fois plus grande. La formule pour le calculer est la suivante:
A f = A 0 [1 + YA (T f - T 0 )]
Dans cette expression:
γ = coefficient de dilatation de la surface [° C-1]
A 0 = surface initiale
A f = aire finale
T 0 = température initiale.
T f = température finale
La différence entre la dilatation surfacique et la dilatation linéaire réside dans le fait que, dans la première, il y a un changement d’augmentation de la surface de l’objet, et dans le second changement, il s’agit d’une mesure à unité unique largeur de l'objet physique).
Des exemples
Premier exercice (dilatation linéaire)
Les rails constituant la voie d’un train construit en acier ont une longueur de 1500 m. Quelle sera la longueur au moment où la température passera de 24 à 45 ° C?
La solution
Données:
L0 (longueur initiale) = 1500 m
L f (longueur finale) =?
À (température initiale) = 24 ° C
T f (température finale) = 45 ° C
α (coefficient de dilatation linéaire correspondant à l'acier) = 11 x 10-6 ° C-1
Les données sont remplacées dans la formule suivante:
Cependant, nous devons d’abord connaître la valeur du différentiel de température afin d’inclure ces données dans l’équation. Pour obtenir ce différentiel, soustrayez la température la plus élevée de la plus basse.
Δt = 45 ° C - 24 ° C = 21 ° C
Une fois cette information connue, il est possible d’utiliser la formule précédente:
Lf = 1500 m (1 + 21 ° C, 11 x 10-6 ° C-1)
Lf = 1500 m (1 + 2, 31 x 10-4)
Lf = 1500 m (1000231)
Lf = 1500, 3465 m
Deuxième exercice (dilatation superficielle)
Dans un lycée, une vente de verre a une superficie de 1, 4 m 2, si la température est à 21 ° C. Quelle sera votre dernière zone lorsque la température atteindra 35 ° C?
La solution
Af = A0 [1 + (Tf - T0)]
Af = 1, 4 m2 [1] 204, 4 x 10-6]
Af = 1, 4 m2. 1 0002044
Af = 1 40028616 m2
Pourquoi la dilatation se produit-elle?
Tout le monde sait que tout le matériel est composé de différentes particules subatomiques. En modifiant la température, que ce soit à la hausse ou à la baisse, ces atomes entament un processus de mouvement pouvant modifier la forme de l'objet.
Lorsque la température augmente, les molécules commencent à se déplacer rapidement en raison de l'augmentation de l'énergie cinétique et, par conséquent, la forme ou le volume de l'objet augmente.
Dans le cas de températures négatives, l'inverse se produit, dans ce cas, le volume de l'objet est généralement contracté par les basses températures.
