Dilatation thermique

Nous expliquons ce qu'est la dilatation thermique, les types qui existent, et nous donnons plusieurs exemples

Dilatation thermique de l'eau

Qu'est-ce que la dilatation thermique?

La Dilatation thermique o La dilatation thermique est l'augmentation des dimensions des corps lorsqu'ils chauffent. Cela se produit avec presque tous les matériaux, sauf avec certains qui se développent lorsqu'ils se gèlent, comme l'eau et l'acide acétique, par exemple.

L'explication du phénomène réside dans l'agitation thermique des particules. Selon la théorie cinétique, les molécules qui constituent les substances ne sont pas au repos, mais en mouvement permanent.

Dans les solides, les particules oscillent autour d'un point fixe, mais en augmentant la température, l'amplitude de l'oscillation augmente et, par conséquent, l'objet se développe.

Cette propriété des matériaux de l'expansion avec la température est utilisée dans de nombreuses applications, par exemple dans le liquide bimétallique et les bandes, celles-ci sont pliées d'une certaine manière en augmentant la température et de cette manière les circuits peuvent être ouverts ou fermés.

Cependant, parfois la dilatation thermique provoque des inconvénients, comme dans le cas des résines utilisées pour traiter la carie dentaire. Ces résines se développent avec la chaleur plus rapidement que les dents, provoquant une gêne lorsque les boissons chaudes sont ingérées.

Si l'expansion thermique n'est pas prise en compte lors de la conception, la pièce ou l'objet peut perdre des fonctionnalités alors que pour une raison quelconque, la température augmente.

Types de dilatation thermique

Ces rails ferroviaires sont construits en laissant un écart ou un écart, de sorte que la dilatation thermique ne provoque pas de tensions internes qui déforment les rails

La plupart des matériaux se développent lors du chauffage, mais quelques-uns font le contraire, donc en principe, il existe deux types d'expansion thermique:

• Le plus fréquent, qui se produit lorsque le augmentation du matériel simplement ses dimensions avec la température et est appelée dilatation soit Dilatation thermique.
• Extension thermique négative, Si la substance hausse les épaules quand.

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Selon les dimensions prédominantes de l'objet, l'expansion thermique peut être linéaire, superficiel ou volumétrique. Par exemple, si vous avez un fil ou une barre mince, l'objet est allongé et la dilatation est linéaire, car la longueur est principalement modifiée.

D'un autre côté, lorsqu'une feuille mince est chauffée, ce qui augmente est sa zone superficielle, tandis qu'un objet à trois dimensions augmente son volume. Pour chacun de ces cas, il existe une équation simple qui est remplie dans une bonne plage de température.

1. Dilatation linéaire

Le changement de longueur d'une tige mince, d'une barre ou d'un fil est indiqué comme ΔL et est directement proportionnel au changement de température ΔT et à la longueur d'origine L_soit:

Δl = α⋅l_soitΔt

Où:

• Δl = longueur finale - longueur initiale = L_F - L_soit
• Δt = température finale - température initiale = t_F - T_soit
• α est la constante de proportionnalité, appelée Coefficient d'extension linéaire , positif si la longueur augmente avec la température.

Les valeurs α pour différentes substances, en unités inverses de température, sont presque toujours à 20 ºC, bien que la valeur reste constante dans une bonne plage de température.

L'équation précédente peut être réécrite pour calculer directement la longueur finale:

L_F = L_soit + αl_soitΔt = L_soit(1 + αδt)

2. Dilatation superficielle

Analogue à l'équation précédente, pour une lame avec la surface initiale s_soit , On peut démontrer que la nouvelle surface s_F Il est donné par:

S_F = S_soit + 2α_soit Δt

3. Dilatation volumétrique

Enfin, pour un volume initial objet V_soit , Le nouveau volume V_F est:

V_F = V_soit + 3α V_soit Δt

Exemples de dilatation thermique

Air chaud dans un ballon

L'air à l'intérieur du globe se dilate lorsqu'il est chauffé. Il est pratique de ne pas le ramener trop près de la flamme

Lors du chauffage de l'air à l'intérieur d'un ballon, il se gonfle, car le gaz à l'intérieur se développe en raison de l'augmentation de la température. Il est facilement vérifié en couvrant une bouteille en verre avec un ballon dégonflé, qui est immergé dans de l'eau chaude. On voit bientôt que le ballon commence à gonfler.

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Joints d'expansion sur les trottoirs et les routes

Panneau d'expansion en forme de dents sur un pont en béton

Dans la construction de trottoirs et de routes de circulation, une marge est laissée pour les joints de dilatation, consistant en une séparation entre les dalles de sorte que, lorsque la température augmente, ils ne se fissurent pas.

Sur les autoroutes et les ponts en béton, les espaces se retrouvent avec un matériau flexible ou avec des joints de dilatation sous forme de dents qui s'élèvent les uns avec les autres, laissant les espaces. De cette façon, il y a une marge pour le béton pour se développer et contracter avec les changements de température.

Fractures en verre

Les fissures de verre avant les changements de température soudains. Si un verre de verre froid est rempli d'eau très chaude, le matériau se réchauffe, provoquant une expansion à certains endroits, ce qui provoque des tensions internes qui entraînent des fractures.

Contrairement à ce que l'on pense, le verre épais se fissure plus facilement que le verre mince. Il est dû au fait que plus le matériau mince, plus la chaleur est distribuée rapide, donc il n'y a pas de temps pour que les tensions internes apparaissent.

Congélation d'eau

L'eau est un exemple d'expansion thermique négative, c'est-à-dire qu'elle se dilate lors du refroidissement, un phénomène qui se produit entre 0 et 4 ºC. Comme on le sait, lors de la congélation d'une bouteille d'eau complètement complète, elle craquera.

Cependant, cette qualité d'eau permet le fond des rivières et du lac.

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Mentilement électrique

Les câbles de pose électriques ne sont pas placés en ligne droite entre deux poteaux, mais laissant une marge pour accrocher un peu, formant une courbe. C'est parce que, lorsque le temps devient très froid, le câblage a tendance à se contracter.

D'un autre côté, lorsque le temps est très chaud, il est courant de voir que les câbles de pose électriques se détendent et pendent beaucoup.

Rivets d'avions

Dans les avions, ils sont utilisés en aluminium fabriqué pour rejoindre les pièces et sont toujours plus grands que le trou correspondant. Ensuite, avant de les mettre à leur place, vous devez les contracter, les refroidir avec de la glace sèche.

Il existe de nombreuses raisons pour lesquelles les rivets sont préférés une fois du soudage pour les avions. Par exemple, le type d'aluminium utilisé dans la fabrication d'avions est difficile à souder et même s'il est obtenu, le soudage finit par affaiblir le matériau. D'un autre côté, il est plus facile d'inspecter et de réparer les rivets que les soudures.

Exercice résolu

Une tige mince en bronze mesures 0.5 m de long à 20.0 ºC. Calculez la longueur de la tige lorsqu'il est chauffé à 50.0 ºC, sachant que le coefficient de dilatation linéaire du bronze à 20 ºC est: 19 × 10^-6 ºC^-1 .

Solution

Comme la barre est mince, l'équation de l'expansion linéaire s'applique:

L_F = L_soit (1 + αδt)

Il suffit de remplacer les valeurs qui apparaissent dans l'instruction:

Δt = (50,0 −20,0) ºC = 30,0 ºC

L_F = 0.5 (1 + 19 × 10^-6 × 30) m = 0.500285 m