Dilatationthermique c'est un phénomène physique résultant d'une augmentation de la température d'un corps. Lorsqu'un corps est exposé à une source de Chauffer, votre Température il peut subir des variations, augmentant l'agitation des molécules, qui oscillent autour d'un espace plus grand.
Cette variation microscopique de la vibration des molécules peut être perçue à une échelle macroscopique, comme lorsqu'une barre de fer reste légèrement plus grand suite au chauffage.
dilatation linéaire
Dilatationlinéaire de solides est le phénomène physique qui se produit lorsque des corps de forme linéaire qui sont à l'état solide, tels que des fils, des câbles, des aiguilles, des barres, des tuyaux, subissent une variation de température. Pour calculer l'amplitude de la dilatation linéaire, nous utilisons le coefficientdansdilatationlinéaire de matière.
Exemples de dilatation thermique linéaire
Le gauchissement des voies ferrées dû à la grande amplitude thermique pendant les cycles diurnes et nocturnes. En raison de cet effet, le joint de dilatation est utilisé, un petit espace entre deux barres consécutives.
Les fils de cuivre utilisés dans la transmission du courant électrique sur les poteaux sont toujours plus grands que la distance entre les poteaux. S'ils ne l'étaient pas, par temps froid, ces conducteurs subiraient des variations négatives de leur longueur et pourraient subir des ruptures
dilatation superficielle
Dilatationpeu profond des solides est la variation de la surface d'un corps qui est à l'état solide en raison d'une augmentation de sa température. Le calcul de l'expansion de surface d'un solide dépend de sa coefficientdansdilatationpeu profond.
Exemples de dilatation thermique de surface
Entre les planches de carrelage, utilisées dans les sols résidentiels et les trottoirs, un petit espace libre est laissé, occupé par le coulis, matériau poreux capable d'absorber une partie de la dilatation subie par les pièces céramique.
Il est courant de voir des mécaniciens chauffer un écrou attaché à un boulon afin de le retirer, car le chauffage provoque la dilatation de l'écrou, facilitant son retrait.
dilatation volumétrique
dilatation volumétriquec'est l'expansion du volume d'un corps en augmentant sa température. L'expansion volumétrique est calculée à partir de la coefficientdansdilatationvolumétrique du corps.
Exemples de dilatation thermique volumétrique
Les vis utilisées dans les fuselages d'avions peuvent être placées à très basse température avant d'être filetées. Après le filetage, l'augmentation de la température de la vis agrandit ses dimensions, rendant presque impossible son retrait ultérieur.
Coefficient de dilatation thermique
Alors que certains matériaux doivent subir d'énormes variations de température pour que leur expansion devienne perceptible, d'autres ont besoin de faire varier leur température de quelques degrés afin que les différences dans leur dimensions.
La propriété physique qui détermine la facilité ou la difficulté du matériau à avoir ses dimensions modifiées par une variation de température est appelée coefficient de dilatation thermique.
Avec l'augmentation de la température, les molécules d'un corps commencent à occuper un espace plus grand.
Voirégalement: Calorimétrie
Chaque matériau a son propre coefficient de dilatation thermique, qui peut être de trois types distincts: coefficient de dilatationlinéaire, peu profond et volumétrique. Pour calculer la dilatation subie par un corps, on utilise un seul de ces coefficients, déterminé en fonction de la forme présentée par le corps.
Malgré la dilatation de surface et volumétrique, les corps allongés qui ont une symétrie linéaire, tels que câbles et fils, sont soumis à une dilatation dans leur longueur beaucoup plus grande que la dilatation dans leur zone ou le volume.
Les coefficients de dilatation linéaire, peu profond et volumétrique sont désignés, respectivement, par les lettres grecques α, β, et γ, et son unité de mesure est le ºC-1.
L'effet de la dilatation thermique des solides est d'une grande importance commerciale et technologique. La construction de bâtiments, par exemple, utilise des matériaux souvent exposés à des variations de température importantes et parfois brutales. Dans ce cas, il est essentiel de connaître les coefficients de dilatation de chaque matériau utilisé en construction civile afin d'éviter l'apparition de fissures et autres défauts de structure.
Relation entre les coefficients de dilatation des solides
Les corps de symétries différentes constitués du même matériau subissent différentes formes d'expansion. Une barre de fer, par exemple, subit une expansion linéaire, tandis qu'une feuille du même matériau subit une expansion de surface. C'est parce que le coefficient de dilatation de surface est le double du coefficient de dilatation linéaire, tandis que le coefficient de dilatation volumétrique est trois fois supérieur au coefficient de dilatation linéaire. Regarder:
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α – coefficient de dilatation linéaire
β – coefficient de dilatation surfacique
γ – coefficient de dilatation volumétrique
Dilatation thermique dans les ponts
Les effets de la dilatation thermique sont particulièrement importants dans les constructions qui ne peuvent ni déformer ni fissurer leur structure, comme les ponts. C'est pourquoi, dans ce type de construction, plusieurs joints de dilatation sont utilisés.
L'image ci-dessous montre le joint de dilatation d'un pont. Regarder:
Les joints de dilatation réduisent les risques de fissuration en raison de la dilatation du béton dans les ponts.
Formules de dilatation thermique
Vérifiez ci-dessous les formules utilisées pour calculer les expansions linéaires, superficielles et volumétriques des solides.
Formule de dilatation linéaire
La formule de dilatation linéaire peut être présentée de deux manières: une pour calculer la taille finale du corps et une autre pour calculer la variation de longueur subie lors de la dilatation :
L – longueur finale
L0 – longueur initiale
T - variation de température
L – variation de longueur
Formule de dilatation de surface
Comme la formule d'expansion linéaire, la formule d'expansion de surface peut également être écrite de deux manières différentes :
s – zone finale
s0 – zone initiale
T - variation de température
S - variation de zone
Formule d'expansion volumétrique
Enfin, nous avons les expressions qui nous permettent de calculer le volume final d'un corps ou sa variation volumétrique :
V - Volume final
V0 – volume initial
T - variation de température
V – variation de volume
Résumé
Lorsqu'un solide est chauffé, ses molécules se mettent à vibrer plus largement, prenant plus de place. Selon le coefficient d'échauffement et de dilatation du matériau, l'effet peut être observé à l'œil nu.
Les coefficients de dilatation surfacique et volumétrique d'un même matériau homogène (constitué d'une seule substance) sont respectivement le double et le triple du coefficient de dilatation linéaire.
Chaque corps subit les trois types de dilatation simultanément, cependant, l'un d'eux est plus important que les autres, car il est plus privilégié par la forme du corps.
Exercices sur la dilatation thermique
Une barre de fer de 2,0 m de long dont le coefficient de dilatation linéaire est α=1.2.10-5 °C-1 il est à température ambiante (25ºC). Ce corps est ensuite exposé à une source de chaleur, atteignant, à la fin de son chauffage, une température de 100°C.
Déterminer:
a) la dilatation subie par la barre.
b) la longueur finale de la barre.
c) les coefficients de dilatation surfacique et volumétrique du matériau constitutif de cette barre.
Résolution
a) Pour calculer l'expansion subie par la barre, nous devons nous rappeler que sa forme est linéaire, c'est donc la forme d'expansion la plus importante qu'elle subit. En utilisant la formule de dilatation linéaire, nous aurons :
D'après le résultat ci-dessus, cette barre subirait une dilatation de 1,8 mm dans sa longueur.
b) La longueur finale de la barre peut être facilement trouvée, puisque l'on connaît déjà la dilatation subie par celle-ci. Sa longueur finale sera 2,0018 m (2 mètres et 1,8 mm)
c) Les coefficients de dilatation surfacique et volumétrique sont des multiples du coefficient de dilatation linéaire. Leurs valeurs sont, respectivement, 2,4.10-5 °C-1et 3,6.10-5 °C-1.
Par moi Rafael Helerbrock
Déterminer le module du coefficient de dilatation de surface d'une poutre en acier homogène de 5,0 m de long qui, lorsqu'elle est chauffée à 50 °C, a une dilatation linéaire de 5,10-3 m.
Sachant qu'un matériau solide et homogène a un coefficient de dilatation volumétrique constant égal à 1,2.10-5 °C-1, déterminez le coefficient de dilatation surfacique de ce matériau et vérifiez la bonne alternative :
