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

La dilatation volumétrique C'est un phénomène physique qui implique une variation des trois dimensions d'un corps. Le volume ou les dimensions de la plupart des substances augmentent lorsqu'ils sont soumis à la chaleur; Il s'agit d'un phénomène connu sous le nom de dilatation thermique, mais il existe également des substances qui se contractent lorsqu'ils sont chauffés.

Bien que les changements de volume soient relativement faibles pour les solides, ils sont d'une grande importance technique, principalement dans des situations où il est souhaité rejoindre des matériaux qui se développent différemment.

La forme de certains solides souffre de distorsion lorsqu'elle est chauffée et peut se développer dans certaines directions et se contracter dans d'autres. Cependant, en cas de dilatation dans un certain nombre de dimensions, il existe une classification pour de telles extensions:

• La dilatation linéaire se produit lorsque la variation d'une dimension particulière prédomine, comme la longueur, large ou élevée du corps.
• La dilatation superficielle est celle où la variation prédomine dans deux des trois dimensions.
• Enfin, la dilatation volumétrique implique une variation des trois dimensions d'un corps.

[TOC]

Concepts de base liés à la dilatation thermique

L'énérgie thermique

La question est formée par des atomes qui sont en mouvement continu, en mouvement ou vibrant. L'énergie cinétique (ou le mouvement) avec laquelle le mouvement des atomes est appelée énergie thermique, plus qu'ils se déplacent rapidement, plus ils ont une plus grande énergie thermique.

Chaleur

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

La quantité d'énergie thermique transférée dépend de la nature du corps proche et de l'environnement qui les sépare.

Température

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

Peut vous servir: réaction enthalpie: définition, thermochimie, exercices

Deux corps en contact mutuel ou séparés par des moyens adéquats (conducteur de chaleur) seront à la même température s'il n'y a pas de flux de chaleur entre les deux. De même, un corps X sera à une température supérieure à celle d'un corps et si la chaleur circule de X A et.

Quelles sont les propriétés de base de la dilatation thermique?

Il est clairement lié à un changement de température, à une expansion de température plus élevée. Cela dépend également de la structure interne du matériau, dans un thermomètre, l'expansion du mercure est beaucoup plus grande que l'expansion 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 dans une substance. Dans un solide, contrairement à un gaz, les atomes ou les molécules sont étroitement ensemble, mais leur énergie cinétique (sous la forme de petites vibrations rapides) se sépare les unes des autres aux atomes ou aux molécules.

Cette séparation entre les atomes voisines augmente et entraîne une augmentation de la taille solide.

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

Dilatation linéaire

L'exemple le plus simple d'expansion est l'expansion dans une dimension (linéaire). Expérimentalement, il est constaté 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 comme suit:

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 présentées dans le tableau A.

Le coefficient de dilatation linéaire est plus élevé pour les matériaux qui connaissent une plus grande expansion pour chaque degré de centigrade qui augmente sa température.

Peut vous servir: jeune module: calcul, applications, exemples, exercices

Dilatation superficielle

Lorsqu'un plan est pris dans un corps solide, de sorte que ce plan est celui qui souffre de l'expansion thermique (figure 2), le changement dans la zone ΔA est donné par:

Da = 2aa0

Lorsque 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, le changement de volume ΔV peut être approximé avec le rapport (figure 3). Cette équation est généralement écrite comme suit:

Dv = bvodt

où β est le coefficient de dilatation volumétrique et est approximativement égal à 3∝ λ∝ τ∝ ßλ∝ 2 Les valeurs des coefficients d'expansion volumétriques pour certains matériaux sont représentés.

En général, les substances se développeront dans une augmentation de la température, l'eau est l'exception la plus importante à cette règle. L'eau se développe lorsque sa température augmente lorsqu'elle est supérieure à 4ºC.

Cependant, il se développe également en diminuant sa température à l'intervalle de 4 ° C à 0ºC. Cet effet peut être observé lorsque l'eau est placée à l'intérieur d'un réfrigérateur, l'eau se dilate lors de la congélation et il est difficile d'extraire la glace de son récipient par cette expansion.

Exemples

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

L'essence refroidit le réservoir en acier lorsqu'il est renversé, et les deux, l'essence et le réservoir se dilatent avec la température de l'air environnant. Cependant, l'essence se dilate beaucoup plus rapidement que l'acier, et donc une goutte à l'extérieur du réservoir se produit.

Il peut vous servir: chaleur sensible: concept, formules et exercices résolus

La différence de dilatation entre l'essence et le réservoir qui contient peut causer des problèmes en lisant l'indicateur de niveau de carburant. La quantité d'essence (masse) qui reste dans un réservoir lorsque l'indicateur atteint à un vide est beaucoup plus faible en été qu'en hiver.

L'essence a le même volume dans les deux stations lorsque le voyant d'avertissement s'allume, mais parce que l'essence se dilate pendant l'été, elle a une masse inférieure.

Par exemple, un réservoir d'essence en acier complet peut être pris en considération, avec une capacité de 60L. Si le réservoir et la température de l'essence sont de 15 ° C, la quantité d'essence sera-t-elle répandue au moment où ils atteignent une température de 35 ° C?

Le réservoir et l'essence augmenteront en volume en raison de l'augmentation de la température, mais l'essence augmentera plus que le réservoir. Afin que l'essence renversée soit la différence de changements de volume. L'équation de dilatation volumétrique peut ensuite être utilisée pour calculer les changements de volume:

Le volume renversé par l'augmentation de la température est alors:

Combinant ces 3 équations en une seule fois, vous avez:

Le tableau 2 a obtenu les valeurs du coefficient de dilatation volumétrique, remplaçant les valeurs:

Bien que cette quantité d'essence renversée soit relativement insignifiante par rapport à un réservoir de 60 L, l'effet est surprenant, car l'essence et l'acier se développent très rapidement.

Bibliographie

1. Yen Ho Cho, Taylor R. Expansion théorique des solides ASM International, 1998.
2. H. Ibach, Hans Lüth Solid-State Physics: An Introduction to Principles of Material Science Springer Science & Business Media, 2003.
3. Halliday D., Resnick r., Krane K. Physique, volume 1. Wiley, 2001.
4. Martin C. Martin, Charles A. Hewett Elements of Classical Physics Elsevier, 2013.
5. Zemansky Mark W. Chaleur et thermodynamique. Aguilar éditorial, 1979.