DILATATION THERMIQUE: COEFFICIENT, TYPES ET EXERCICES - PHYSIQUE - 2024

La dilatation thermique est augmentée ou variation de diverses dimensions métriques (telles que la longueur ou le volume) qui subit un objet physique ou un corps. Ce processus se produit en raison de l'augmentation de la température entourant le matériau. Dans le cas de la dilatation linéaire, ces changements se produisent dans une seule dimension.

Le coefficient de cette expansion peut être mesuré en comparant la valeur de la grandeur avant et après le processus. Certains matériaux souffrent du contraire de la dilatation thermique; c'est-à-dire qu'il devient «négatif». Ce concept propose que certains matériaux se contractent lorsqu'ils sont exposés à certaines températures.

Expansion thermique dans l'eau

Pour les solides, un coefficient de dilatation linéaire est utilisé pour décrire leur expansion. En revanche, pour les liquides, un coefficient de dilatation volumétrique est utilisé pour effectuer les calculs.

Dans le cas des solides cristallisés, s'il est isométrique, l'expansion sera générale dans toutes les dimensions du cristal. S'il n'est pas isométrique, différents coefficients de dilatation peuvent être trouvés dans tout le verre, et il changera sa taille lorsque la température changera.

Coefficient de dilatation thermique

Le coefficient de dilatation thermique (Y) est défini comme le rayon de changement par lequel un matériau est passé en raison du changement 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 lorsqu'il s'agit de solide, liquide ou gazeux. 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 basiques en termes de fluides, et les changements sont notables dans toutes les directions; Ce coefficient est également utilisé lors du calcul de la dilatation d'un gaz.

Dilatation thermique négative

Une dilatation thermique négative se produit dans certains matériaux qui, au lieu d'augmenter en taille avec 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 zéolites, Cu2O, entre autres.

De même, certaines recherches ont montré que la dilatation thermique négative se produit également dans les réseaux à un seul composant sous forme compacte et avec une interaction de force centrale.

Un exemple clair de dilatation thermique négative peut être vu lorsque nous ajoutons de la glace à un verre d'eau. Dans ce cas, la température élevée du liquide sur la glace n'entraîne aucune augmentation de taille, mais plutôt la taille de la glace est réduite.

Les types

Lors du calcul de l'expansion d'un objet physique, il faut tenir compte du fait que, en fonction du changement de température, ledit objet peut augmenter ou se contracter en taille.

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 tout 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

Une seule variation prédomine dans la dilatation linéaire. 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 grandeur avant le changement de température avec la valeur de la grandeur après le changement de température.

Dilatation volumétrique

Dans le cas d'une expansion volumétrique, la manière de la calculer est de comparer le volume du fluide avant le changement de température avec le volume du fluide après le changement de température. La formule pour le calculer est:

Dilatation de surface ou de surface

En cas de dilatation de surface, on observe une augmentation de la surface d'un corps ou d'un objet en raison d'un changement de sa température à 1 ° C.

Cette expansion fonctionne pour les solides. Si nous avons aussi le coefficient linéaire, nous pouvons voir que la taille de l'objet sera 2 fois plus grande. La formule pour le calculer est:

A _f = A ₀

Dans cette expression:

γ = coefficient d'expansion de surface

A ₀ = zone initiale

A _f = zone finale

T ₀ = température initiale.

T _f = température finale

La différence entre la dilatation de la 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, la modification est d'une seule unité de mesure (telle que la longueur ou le largeur de l'objet physique).

Exemples

Premier exercice (dilatation linéaire)

Les rails qui composent la voie d'un train en acier ont une longueur de 1500 m. Quelle sera la longitude lorsque la température passera de 24 à 45 ° C?

Solution

Les données:

Lο (longueur initiale) = 1500 m

L _f (longueur finale) =?

Tο (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, vous devez d'abord connaître la valeur du différentiel de température, afin d'inclure ces données dans l'équation. Pour atteindre ce différentiel, la température la plus élevée doit être soustraite de la plus basse.

Δt = 45 ° C - 24 ° C = 21 ° C

Une fois ces informations connues, 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 = 1 500 m (1 000231)

Lf = 1500,3465 m

Deuxième exercice (dilatation superficielle)

Dans un lycée, un magasin de verre a une superficie de 1,4 m ^ 2, si la température est de 21 ° C. Quelle sera sa superficie finale lorsque la température augmentera à 35 ° C?

Solution

Af = A0

Af = 1,4 m ² 204,4 x 10 ^-6]

Af = 1,4 m ². 1 000 2044

Af = 1,40028616 m ²

Pourquoi la dilatation se produit-elle?

Tout le monde sait que tout matériau est composé de diverses particules subatomiques. En modifiant la température, en l'élévant ou en l'abaissant, ces atomes entament un processus de mouvement qui peut modifier la forme de l'objet.

Lorsque la température est élevée, les molécules commencent à se déplacer rapidement en raison de l'augmentation de l'énergie cinétique, et ainsi la forme ou le volume de l'objet augmentera.

Dans le cas de températures négatives, c'est l'inverse qui se produit, dans ce cas le volume de l'objet a tendance à se contracter en raison des basses températures.

Références

1. Dilatation linéaire, superficielle et volumétrique - Exercices. Résolu Récupéré le 8 mai 2018 de Fisimat: fisimat.com.mx
2. Dilatation superficielle - Exercices résolus. Extrait le 8 mai 2018 de Fisimat: fisimat.com.mx
3. Dilatation thermique. Extrait le 8 mai 2018 de l'Encyclopædia Britannica: britannica.com
4. Dilatation thermique. Extrait le 8 mai 2018 de Hyper Physics Concepts: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. Dilatation thermique. Récupéré le 8 mai 2018 de Lumen Learning: courses.lumenlearning.com
6. Dilatation thermique. Extrait le 8 mai 2018 de The Physics Hypertextbook: physics.info
7. Dilatation thermique. Récupéré le 8 mai 2018 sur Wikipedia: en.wikipedia.org.