QU'EST-CE QUE LA DILATATION VOLUMÉTRIQUE? (AVEC DES EXEMPLES) - PHYSIQUE - 2025

L' expansion volumique est un phénomène physique impliquant une modification des trois dimensions d'un corps. Le volume ou les dimensions de la plupart des substances augmentent lorsqu'elles sont soumises 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'elles sont chauffées.

Bien que les changements de volume soient relativement faibles pour les solides, ils sont d'une grande importance technique, en particulier dans les situations où l'on souhaite joindre des matériaux qui se dilatent différemment.

La forme de certains solides est déformée lorsqu'ils sont chauffés et peuvent se dilater dans certaines directions et se contracter dans d'autres. Cependant, lorsqu'il n'y a qu'une dilatation dans un certain nombre de dimensions, il existe une classification pour de telles extensions:

• La dilatation linéaire se produit lorsque la variation dans une dimension particulière prédomine, telle que la longueur, la largeur ou la hauteur du corps.
• La dilatation de surface est celle où la variation dans deux des trois dimensions prédomine.
• Enfin, la dilatation volumétrique implique une variation des trois dimensions d'un corps.

Concepts de base liés à la dilatation thermique

L'énérgie thermique

La matière est constituée d'atomes en mouvement continu, en mouvement ou en vibration. L'énergie cinétique (ou de mouvement) avec laquelle les atomes se déplacent est appelée énergie thermique, plus ils se déplacent rapidement, plus ils ont d'énergie thermique.

Chaud

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

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

Température

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

Deux corps en contact mutuel ou séparés par un milieu approprié (conducteur de chaleur) seront à la même température s'il n'y a pas de flux de chaleur entre eux. De même, un corps X sera à une température plus élevée qu'un corps Y si la chaleur circule de X vers Y.

Quelles sont les propriétés de base de la dilatation thermique?

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

Cette séparation entre les atomes voisins devient de plus en plus grande et se traduit par une augmentation de la taille du solide.

Pour la plupart des substances dans des conditions ordinaires, il n'y a pas de direction préférée 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 de dilatation est l'expansion dans une dimension (linéaire). Expérimentalement, on constate que le changement de longueur ΔL d'une substance est proportionnel au changement de température ΔT et de la longueur initiale Lo (figure 1). Nous pouvons le représenter de la manière suivante:

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 indiquées dans le tableau A.

Le coefficient de dilatation linéaire est plus élevé pour les matériaux qui subissent une plus grande expansion pour chaque degré Celsius où leur température augmente.

Dilatation superficielle

Lorsqu'un plan est pris à l'intérieur d'un corps solide, de sorte que ce plan est celui qui subit une dilatation thermique (figure 2), le changement d'aire ΔA est donné par:

DA = 2aA0

où ΔA est le changement de l'aire 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 approché avec la relation (figure 3). Cette équation s'écrit généralement 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 de dilatation volumétrique pour certains matériaux sont indiquées.

En général, les substances se dilateront en cas d'augmentation de la température, l'eau étant l'exception la plus importante à cette règle. L'eau se dilate lorsque sa température augmente lorsqu'elle est supérieure à 4 ° C.

Cependant, il se dilate également lorsque sa température diminue dans la plage de 4 ° C à 0 ° C. Cet effet peut être observé lorsque l'eau est mise dans un réfrigérateur, l'eau se dilate lorsqu'elle gèle et il est difficile de retirer la glace de son récipient en raison de cette dilatation.

Exemples

Les différences d'expansion volumétrique peuvent conduire à des effets intéressants dans une station-service. Un exemple est l'essence qui goutte dans un réservoir qui vient d'être rempli par une journée chaude.

L'essence refroidit le réservoir en acier lorsqu'il est versé, et l'essence et le réservoir se dilatent avec la température de l'air ambiant. Cependant, l'essence se dilate beaucoup plus rapidement que l'acier, ce qui provoque sa fuite hors du réservoir.

La différence de dilatation entre l'essence et le réservoir qui la contient peut causer des problèmes lors de la lecture de la jauge de niveau de carburant. La quantité d'essence (masse) restant dans un réservoir lorsque la jauge est vide est beaucoup moins élevée en été qu'en hiver.

L'essence a le même volume dans les deux stations lorsque le voyant s'allume, mais comme l'essence se dilate pendant l'été, sa masse est plus faible.

A titre d'exemple, vous pouvez considérer un réservoir d'essence en acier plein, d'une capacité de 60L. Si la température du réservoir et de l'essence est de 15 ° C, quelle quantité d'essence sera déversée au moment où ils atteindront une température de 35 ° C?

Le réservoir et l'essence augmenteront de volume en raison de l'augmentation de la température, mais l'essence augmentera plus que le réservoir. Ainsi, l'essence renversée fera la différence dans vos changements de volume. L'équation d'expansion volumétrique peut ensuite être utilisée pour calculer les changements de volume:

Le volume déversé par l'augmentation de température est alors:

En combinant ces 3 équations en une seule, nous avons:

À partir du tableau 2, les valeurs du coefficient de dilatation volumétrique sont obtenues, en remplaçant les valeurs:

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

Bibliographie

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