La dilatation thermique est un phénomène physique qui se produit lorsqu'un matériau subit une variation dimensionnelle due à une augmentation ou une diminution de température. Le coefficient de dilatation thermique est une grandeur qui mesure cette variation et peut être classé en trois types : linéaire, superficiel et volumétrique. Dans ce contexte, il est important de comprendre comment calculer et appliquer ces coefficients dans différentes situations, ce qui peut être fait grâce à des exercices pratiques. Dans cet article, nous explorerons les concepts fondamentaux de la dilatation thermique et de ses coefficients, et présenterons quelques exercices pour comprendre ce phénomène.
Méthode de détermination du coefficient de dilatation thermique d'un matériau.
Pour déterminer le coefficient de dilatation thermique d'un matériau, une expérience simple est nécessaire. Il faut d'abord mesurer la variation de longueur du matériau lorsqu'il est chauffé ou refroidi. Ensuite, calculer la variation de température subie par le matériau pendant l'expérience.
Grâce à ces données, il est possible d'utiliser la formule mathématique reliant la variation de longueur, la variation de température et le coefficient de dilatation thermique du matériau. Ce coefficient est représenté par la lettre grecque. alpha et est mesurée en unités de 1/°C (ou 1/K).
Ainsi, le coefficient de dilatation thermique peut être déterminé à l'aide de la formule suivante :
alpha = (changement de longueur) / (longueur initiale x changement de température)
En effectuant correctement les calculs, il est possible d'obtenir le coefficient de dilatation thermique du matériau concerné. Cette valeur est essentielle pour comprendre le comportement du matériau face aux variations de température et peut être utilisée dans divers calculs et projets d'ingénierie.
Types de dilatation thermique : découvrez les variations de dilatation des matériaux en fonction de la température.
La dilatation thermique est un phénomène présent dans divers matériaux et provoqué par les variations de température. Il existe différents types de dilatation thermique, chacun possédant ses propres caractéristiques.
Les types de dilatation thermique les plus courants sont : expansion linéaire, dilatation superficielle e expansion volumétriqueL'expansion linéaire se produit dans une seule dimension, tandis que l'expansion de surface se produit dans deux dimensions et l'expansion volumétrique dans trois dimensions.
Le coefficient de dilatation thermique est une grandeur qui indique la dilatation ou la contraction d'un matériau en fonction des variations de température. Chaque matériau possède un coefficient de dilatation thermique spécifique, qui permet de calculer la variation dimensionnelle du matériau à différentes températures.
Pour calculer la variation de taille d'un matériau due à la dilatation thermique, nous pouvons utiliser la formule :
ΔL = α * L * ΔT
où ΔL représente le changement de taille, α est le coefficient de dilatation thermique, L est la taille d'origine du matériau et ΔT est le changement de température.
Il est important de comprendre les différents types de dilatation thermique et comment ils affectent les matériaux, car cela peut être crucial dans une variété d’applications pratiques, telles que la construction de structures qui doivent résister aux variations de température.
En bref, la dilatation thermique est un phénomène naturel qui se produit dans les matériaux sous l'effet des variations de température. Comprendre les différents types de dilatation thermique et comment les calculer est essentiel pour comprendre le comportement des matériaux sous différentes conditions thermiques.
Contraction thermique : comprendre ce phénomène à l'aide de l'exemple de la réduction de la taille des métaux.
La contraction thermique est un phénomène qui se produit lorsqu'un matériau subit une diminution de taille due à une baisse de température. Un exemple courant de ce processus est la réduction de taille des métaux lors du refroidissement.
Lorsqu'un métal est chauffé, ses particules se déplacent plus rapidement, ce qui provoque une dilatation thermique. À l'inverse, lorsqu'il est refroidi, les particules se déplacent plus lentement, ce qui entraîne une contraction thermique. Ce phénomène s'observe dans de nombreuses situations du quotidien, comme le raccourcissement des voies ferrées en hiver.
Il est important de noter que la contraction thermique des métaux peut être calculée à l'aide du coefficient de dilatation linéaire, qui mesure la variation de la longueur du matériau en fonction des variations de température. De plus, il existe différents types de contraction thermique, comme la contraction isotherme et la contraction adiabatique.
En résumé, la contraction thermique est un phénomène naturel qui se produit lorsqu'un matériau perd de la chaleur et se rétracte. Comprendre ce processus est essentiel pour divers secteurs industriels, tels que la construction et la fabrication d'équipements. Par conséquent, l'étude de la contraction thermique des métaux est cruciale pour garantir l'efficacité et la durabilité des matériaux utilisés.
Coefficients de dilatation : quelle est la relation entre eux ?
Les coefficients de dilatation sont des grandeurs qui représentent la variation des dimensions d'un matériau en fonction des variations de température. Il existe trois types de coefficients de dilatation : linéaire, superficiel et volumétrique. Le coefficient de dilatation linéaire représente la variation de longueur d'un matériau, le coefficient de dilatation superficielle représente la variation de surface et le coefficient de dilatation volumétrique représente la variation de volume.
La relation entre ces coefficients est qu'ils sont tous liés à la dilatation thermique d'un matériau. Lorsqu'un matériau est chauffé, ses molécules se déplacent plus rapidement, ce qui entraîne une augmentation de ses dimensions. Chaque type de coefficient de dilatation est lié à la variation d'une dimension spécifique du matériau.
Par exemple, si un matériau a une coefficient de dilatation linéaire de 2 x 10^-5 /°C, cela signifie que pour chaque augmentation de température de 1 °C, la longueur du matériau augmentera de 2 x 10^-5 fois sa longueur initiale. De même, si un matériau a une coefficient de dilatation de surface de 4 x 10^-5 /°C, la surface du matériau augmentera de 4 x 10^-5 fois sa surface initiale pour chaque augmentation de température de 1°C.
Par conséquent, les coefficients de dilatation sont directement liés à la façon dont les matériaux se dilatent lorsqu'ils sont chauffés et sont essentiels pour étudier et comprendre la dilatation thermique des matériaux.
Dilatation thermique : coefficient, types et exercices
A dilatation thermique Augmentation ou modification de plusieurs dimensions métriques (comme la longueur ou le volume) subies par un objet ou un corps physique. Ce processus est dû à une augmentation de la température ambiante du matériau. Dans le cas d'une dilatation linéaire, ces modifications se produisent dans une seule dimension.
Le coefficient de cette dilatation peut être mesuré en comparant l'amplitude avant et après le processus. Certains matériaux subissent l'inverse de la dilatation thermique ; ils deviennent alors « négatifs ». Ce concept suggère que certains matériaux se contractent lorsqu'ils sont exposés à certaines températures.
Pour les solides, un coefficient de dilatation linéaire est utilisé pour décrire leur expansion. À l'inverse, un coefficient de dilatation volumétrique est utilisé pour les calculs des liquides.
Dans le cas des solides cristallisés, si le verre est isométrique, la dilatation sera générale sur toutes les dimensions du cristal. S'il n'est pas isométrique, des coefficients de dilatation différents peuvent être observés dans le verre, et sa taille variera avec la température.
Coefficient de dilatation thermique
Le coefficient de dilatation thermique (Y) est défini comme le rayon de variation d'un matériau sous l'effet d'une variation de température. Ce coefficient est représenté par le symbole α pour les solides et β pour les liquides et est régi par le Système international d'unités.
Les coefficients de dilatation thermique varient selon qu'il s'agit de solides, de liquides ou de gaz. Chacun possède ses propres caractéristiques.
Par exemple, la dilatation d'un solide peut être observée sur une certaine longueur. Le coefficient volumétrique est l'un des plus fondamentaux pour les fluides, et les variations sont visibles dans toutes les directions ; ce coefficient est également utilisé pour calculer la dilatation d'un gaz.
Dilatation thermique négative
Une dilatation thermique négative se produit dans certains matériaux qui, au lieu d’augmenter de taille à haute température, se contractent à basse température.
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 dans certaines zéolites, Cu2O, entre autres.
De plus, certaines recherches ont montré que la dilatation thermique négative se produit également dans les réseaux à un seul composant, de manière compacte et avec une interaction de force centrale.
Un exemple clair de dilatation thermique négative est observé lorsqu'on ajoute de la glace à un verre d'eau. Dans ce cas, la température élevée du liquide contenu dans la glace ne provoque pas une augmentation de sa taille, mais plutôt une contraction.
Types
Lors du calcul de la dilatation d'un objet physique, il faut tenir compte du fait que, selon le changement de température, cet objet peut augmenter ou se contracter en taille.
Certains objets ne nécessitent pas de changement radical de température pour changer de taille, donc la valeur affichée par les calculs sera probablement moyenne.
Comme tout processus, la dilatation thermique se divise en plusieurs types expliquant chaque phénomène séparément. Dans le cas des solides, les types de dilatation thermique sont la dilatation linéaire, la dilatation volumétrique et la dilatation superficielle.
Expansion linéaire
Dans l'expansion 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 d’expansion est de comparer la valeur de magnitude avant le changement de température avec la valeur de magnitude après le changement de température.
Expansion volumétrique
Dans le cas de la dilatation volumétrique, son calcul consiste à comparer le volume du fluide avant et après la variation de température. La formule de calcul est la suivante :
Agrandissement de surface ou de zone
Dans le cas d'une dilatation de surface, une augmentation de la surface d'un corps ou d'un objet est observée, car il y a un changement de température de 1 ° C.
Ce développement fonctionne pour les solides. Si l'on dispose également du coefficient linéaire, on constate que la taille de l'objet sera deux fois plus grande. La formule pour le calculer est :
A f = A 0 [1 + YA (T f - T 0 )]
Dans cette expression :
γ = coefficient de dilatation de surface [°C -1 ]
A 0 = aire initiale
A f = zone finale
T 0 = température initiale.
T f = température finale
La différence entre la dilatation de surface et la dilatation linéaire est que dans la première, vous voyez un changement d'augmentation de la surface de l'objet, et dans la seconde, le changement est d'une seule unité de mesure (comme la longueur ou la largeur de l'objet physique).
Exemples
Premier exercice (dilatation linéaire)
Les rails d'une voie ferrée en acier mesurent 1500 24 m de long. Quelle sera leur longueur lorsque la température passera de 45 °C à XNUMX °C ?
Solution
Données:
LO (longueur initiale) = 1500 m
L f (longueur finale) =?
A (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, il faut d'abord connaître l'écart de température afin de l'inclure dans l'équation. Pour calculer cet écart, il faut soustraire la température la plus élevée de la température la plus basse.
Δt = 45°C – 24°C = 21°C
Une fois ces données connues, vous pouvez utiliser la formule ci-dessus :
Lf = 1500 m (1 + 21 ° C. 11 x 10 -6 ° C -1 )
Lf = 1500 m (1 + 2,31 x 10 -4 )
Lf = 1500 m (1.000231)
Lf = 1500,3465 m
Deuxième exercice (dilatation superficielle)
Dans une école préparatoire, un bandeau en verre a une surface de 1,4 m² si la température est de 2 °C. Quelle sera sa surface finale si la température atteint 21 °C ?
Solution
Af = A0 [1 + (Tf – T0)]
Af = 1,4 m 2 [1] 204,4 x 10 -6 ]
Af = 1,4 m 2 . 1.0002044/XNUMX/XNUMX
Af = 1.40028616 m 2
Pourquoi la dilatation se produit-elle ?
Chacun sait que toute matière est composée de diverses particules subatomiques. Lorsque la température augmente ou diminue, ces atomes déclenchent un mouvement susceptible de 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 donc la forme ou le volume de l'objet augmente.
Dans le cas de températures négatives, c'est l'inverse qui se produit ; dans ce cas, le volume de l'objet est généralement contracté par les basses températures.
Références
- Expansion linéaire, superficielle et volumétrique – exercices. Résolu. Consulté le 8 mai 2018 sur Fisimat : fisimat.com.mx
- Dilatation superficielle – exercices corrigés. Consulté le 8 mai 2018 sur Fisimat : fisimat.com.mx
- Dilatation thermique. Récupéré le 8 mai 2018 de l'Encyclopædia Britannica : britannica.com
- Dilatation thermique (récupéré le 8 mai 2018) de Hyper Physics Concepts : hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
- Dilatation thermique. Récupéré le 8 mai 2018 de Lumen Learning : cursos.lumenlearning.com
- Dilatation thermique (extrait du 8 mai 2018 de The Physics Hypertextbook : physics.info)
- Dilatation thermique Récupéré le 8 mai 2018 de Wikipédia : en.wikipedia.org.