qu’est-Ce que la dilatation thermique?
la dilatation thermique est le phénomène où un objet ou un corps se dilate en réaction à la chaleur. La dilatation thermique est plus évidente dans les gaz et les liquides, mais peut encore avoir un effet substantiel sur les solides.
Figure 1: voies de chemin de fer plié en raison de dilatation linéaire
Les propriétés thermiques d’un solide sont un aspect très important dans la conception des usines et des produits., Si la dilatation thermique n’est pas prise en compte pendant la construction et la conception, il peut en résulter des dommages structurels majeurs dans une machine ou un bâtiment. D’innombrables mesures ont été prises pour éviter cela et de nombreuses technologies ingénieuses sont développées en s’appuyant sur ce phénomène. La quantité de dilatation d’un matériau peut être expliquée en considérant un coefficient correspondant à la croissance fractionnaire du matériau par changement de degré de température. Ce coefficient est appelé coefficient de dilatation thermique et est utilisé pour prédire la croissance des matériaux en réponse à un changement de température connu., Plus ce coefficient est important pour un matériau, plus il augmentera par degré d’augmentation de la température.
Figure 2: schéma de l’vibrations, avant et après chauffage.
lorsqu’un corps est chauffé, il accepte et stocke l’énergie dans ses atomes sous forme d’énergie cinétique. Cette exposition à une température accrue fait que les vibrations naturelles d’un atome deviennent plus fortes et plus prononcées., Cette augmentation des vibrations pousse contre les forces inter-moléculaires, permettant aux atomes ou aux molécules de s’éloigner et au corps de grossir. La quantité par laquelle une substance se dilate en réaction à un changement de température est mathématiquement représentée par un coefficient de dilatation thermique. Ce coefficient est unique à chaque matériau et est basé sur leurs autres propriétés physiques. Plus le coefficient de dilatation thermique d’un matériau est élevé, plus il se dilatera en réaction au réchauffement., Les cristaux ont tendance à avoir les coefficients de dilatation thermique les plus bas car leur structure est extrêmement uniforme et structurellement saine. Le diamant a le plus bas coefficient de dilatation thermique connu de tous les matériaux naturels. Les solides avec les coefficients de dilatation thermique les plus élevés sont ceux qui ont de faibles liaisons inter-moléculaires, généralement des polymères, qui ont également tendance à avoir de bas points de fusion. La raison en est que les liens plus faibles sont surmontés avec moins d’énergie vibratoire., Les métaux ont tendance à avoir des coefficients relativement faibles, mais ils ont également des points de fusion très élevés, et ils ne sont pas aussi perceptibles à une défaillance du matériau causée par la contrainte de dilatation. Cela fait des métaux des candidats idéaux à utiliser lors de la mesure de la dilatation thermique.
la mesure d’un changement de volume causé par un processus physique ou chimique est appelée dilatométrie. Un instrument conçu pour mesurer le changement de volume d’une substance est appelé dilatomètre., L’exemple le plus courant d’un dilatomètre est un thermomètre à mercure, qui mesure le volume et la variation de volume du mercure piégé qui est utilisé pour déterminer la température de l’environnement environnant. Les dilatomètres peuvent également être utilisés pour calculer le coefficient de dilatation thermique. Pour déterminer le coefficient, Le volume du matériau est soigneusement mesuré à mesure que la température augmente d’une valeur connue à une autre. Il existe quelques exemples de dilatomètres conçus pour mesurer le volume de pièces métalliques solides afin de déterminer la dilatation thermique., Une conception est les dilatomètres de capacité. Dans cette conception, une plaque d’un condensateur est mobile et l’échantillon est placé derrière elle, de sorte que lorsqu’il se dilate, il pousse la plaque mobile plus près de l’autre plaque. Un exemple plus moderne et précis serait le dilatomètre laser, qui mesure constamment les dimensions de l’échantillon avec des lasers. L’un des modèles les plus polyvalents est le dilatomètre optique qui est simplement un appareil photo numérique utilisant un groupe optique pour mesurer les variations de la taille de l’échantillon.,
Figure 3: diagramme montrant l’effet de la dilatation thermique linéaire.
Les gaz et les liquides se dilatent toujours volumétriquement, se dilatant dans les limites de leurs récipients. En théorie, les solides se dilatent toujours volumétriquement, mais parce qu’ils conservent leur forme, ils semblent se dilater différemment. Par exemple, lorsqu’une longue tige métallique est chauffée, ses atomes se déplacent plus loin dans les trois dimensions. Au cours de cette expansion, la croissance en coupe transversale des tiges sera à peine perceptible par rapport à sa croissance dans le sens de la longueur., Étant donné que la tige est initialement très mince, il y a un nombre relativement faible d’atomes qui se poussent les uns contre les autres dans la direction de la section transversale. Dans le sens de la longueur cependant, il y a un plus grand nombre d’atomes alignés, et quand ils poussent tous les uns contre les autres, il forme une réaction en chaîne qui pousse la longueur totale de la tige à être beaucoup plus grande qu’elle ne l’était.
Les objets ayant de telles dimensions peuvent être considérés comme ne se développant que dans une seule dimension. On pense qu’ils ont un coefficient de dilatation thermique linéaire au lieu d’un coefficient de dilatation thermique volumique., Ce coefficient agit de la même manière que le coefficient de dilatation tridimensionnel, sauf qu’il correspond à l’augmentation fractionnaire de la longueur (au lieu du volume) par degré de température. Il en va de même pour les coefficients d’expansion de surface en deux dimensions pour les plaques plates. À partir de cette observation, on peut déterminer que la quantité qu’un corps se dilate en réponse à une augmentation de la température dépend linéairement de la taille initiale du corps.
Une approche observationnelle peut être adoptée pour trouver une équation utile pour prédire la taille résultante d’un corps après un changement de température., Comme expliqué ci-dessus, la quantité de dilatation d’une substance linéaire est linéairement liée à la longueur d’origine (L0). L’Observation montre que l’expansion est également approximativement linéairement liée au changement de température (dT). Il est également évident par l’observation que tous les matériaux se développent différemment. En raison de cette variation dans les modèles d’expansion, on peut déterminer que d’autres aspects physiques influencent la dilatation thermique. Un coefficient est utilisé pour tenir compte des propriétés physiques supplémentaires d’une substance. Ce coefficient est connu sous le nom de coefficient de dilatation thermique linéaire, (α)., L’équation pour la finale, de longueur serait donc
L = L0 + L0*α*dT
Qui peut être ré arrangé pour α
α = (L – L0)/(L0*dT)
Ou si il est dit que la variation de la longueur, L – L0, est dL
α = 1/L0 * dL/dT
La même logique peut être utilisée pour construire les équations concernant l’expansion du volume. Ils sont similaires, sauf que la variable de longueur serait échangée contre le volume et que le coefficient de dilatation linéaire serait changé en volumétrique. Pour assurer la précision, il est idéal de dériver l’équation d’expansion volumique de l’équation linéaire.,
V = L3 = 3
à partir de l’analyse utilisant la méthode linéaire, il est évident que la valeur de α se situe généralement dans la plage des parties par million (x10-6). Puisque la valeur est si petite, les deux termes qui l’élèvent à une puissance supérieure à une donnent une valeur si petite qu’ils n’auront presque aucun effet sur le résultat. Ces termes peuvent être ignorés en approximant légèrement.
V = L03
= V0
puisque α est un coefficient constant inconnu, on peut dire que 3α est un nouveau coefficient constant inconnu nommé coefficient de dilatation thermique volumique, (β).,
V = V0 + V0*β*dT
β = 1/V0 * dV/dT
cette forme de l’équation pourrait maintenant être utilisée pour trouver les coefficients de dilatation thermique des matériaux après les avoir mesurés avec un dilatomètre sur un changement de température connu. Ces équations montrent que les coefficients d’expansion linéaire et volumique ont des unités de Kelvin-1, Celcius-1 ou Fahrenheit-1.
avec un dilatomètre et un thermomètre, il est très simple de mener une expérience sur un échantillon puis de suivre l’équation pour calculer les coefficients de dilatation thermique., L’aluminium est un matériau pratique à étudier avec cette méthode, car il a un coefficient de dilatation très élevé pour un métal. Les aciers inoxydables sont peut-être les plus couramment mesurés en raison de leur utilisation abondante dans de nombreuses applications. Ces aciers ont un coefficient qui est à peu près moyen pour les métaux, cependant, ils ne sont pas extrêmement précieux comme l’argent et l’or. Un manque de connaissances thermiques lors de l’ingénierie et de la conception peut entraîner l’effondrement de ponts ou la destruction d’équipements de valeur., La dilatation thermique des matériaux peut être un obstacle majeur pour la construction et la conception, cependant, de nombreux processus et technologies d’application ont été conçus avec la dilatation thermique comme composante fondamentale de la fonction.
Figure 4: joint de Dilatation sur un pont