Dilatation thermique, coefficient, types et exercices

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

Le coefficient de cette dilatation peut être mesuré en comparant la valeur de la quantité avant et après le processus. Certains matériaux subissent le 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.

Comme pour les solides, un coefficient de dilatation linéaire est utilisé pour décrire son expansion. D'autre part, un coefficient de dilatation volumétrique est utilisé pour les liquides pour effectuer les calculs.

Dans le cas des solides cristallisés, si elle est isométrique, la dilatation sera générale dans toutes les dimensions du cristal. S'il n'est pas isométrique, différents coefficients de dilatation peuvent être trouvés le long du cristal, et sa taille changera lors de la modification de la température.

Index

• 1 coefficient de dilatation thermique
• 2 Expansion thermique négative
• 3 types
  • 3.1 Expansion linéaire
  • 3.2 Dilatation volumétrique
  • 3.3 Dilatation de surface ou de surface
• 4 exemples
  • 4.1 Premier exercice (dilatation linéaire)
  • 4.2 Deuxième exercice (dilatation superficielle)
• 5 Pourquoi la dilatation se produit-elle?
• 6 références

Coefficient de dilatation thermique

Le coefficient de dilatation thermique (Y) est défini comme le rayon de changement à travers lequel un matériau est passé en raison de la variation 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 est 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 ce qui concerne les fluides et les changements sont remarquables dans toutes les directions; Ce coefficient est également utilisé pour calculer la dilatation d'un gaz.

Expansion thermique négative

La dilatation thermique négative se produit dans certains matériaux qui, au lieu d’augmenter leur taille avec des températures élevées, se contractent à cause 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 de composés complexes, comme c'est le cas de certaines zéolithes, notamment Cu2O.

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

Un exemple clair d'expansion thermique négative peut être vu lors de l'ajout de glace à un verre d'eau. Dans ce cas, la température élevée du liquide sur la glace n'augmente pas la taille mais réduit la taille de celui-ci.

Types

Lors du calcul de la dilatation d'un objet physique, il faut tenir compte du fait que, en fonction du changement de température, cet objet peut augmenter ou réduire sa taille.

Certains objets ne nécessitent pas de changement de température important pour modifier leur taille, il est donc probable que la valeur générée par les calculs est moyenne.

Comme tous les 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

Dans la dilatation 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 facile de calculer ce type d'expansion consiste à comparer la valeur de la magnitude avant la variation de température à la valeur de la magnitude après la variation de température.

Dilatation volumétrique

Dans le cas d'une dilatation volumétrique, la manière de le 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 la suivante:

Dilatation en surface ou en surface

En cas de dilatation superficielle, l’augmentation de la surface du corps ou de l’objet est observée en cas de changement de température à 1 ° C.

Cette dilatation fonctionne pour les solides. Si vous avez également le coefficient linéaire, vous pouvez voir que la taille de l'objet sera deux fois plus grande. La formule pour le calculer est la suivante:

Un_f = A₀ [1 + YA (T_f - T₀)]

Dans cette expression:

γ = coefficient d'expansion de la surface [° C^-1]

Un₀ = Zone initiale

Un_f = Zone finale

T₀ = Température initiale

T_f = Température finale

La différence entre la dilatation par zone et la dilatation linéaire est que dans le premier cas, il y a un changement d’augmentation dans la surface de l’objet et dans le second, le changement est une mesure à une seule unité (comme la longueur ou la largeur de l'objet physique).

Des exemples

Premier exercice (dilatation linéaire)

Les rails qui constituent la voie d'un train construit en acier ont une longueur de 1500 m. Quelle sera la longueur au moment où la température passe de 24 à 45 ° C?

Solution

Données:

L0 (longueur initiale) = 1500 m

L_f (longueur finale) =?

À (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, nous devons d'abord connaître la valeur du différentiel de température afin d'inclure ces données dans l'équation. Pour obtenir ce différentiel, il faut soustraire la température la plus élevée et la plus basse.

Δt = 45 ° C - 24 ° C = 21 ° C

Une fois cette information connue, 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 = 1500 m (1,000231)

Lf = 1500.3465 m

Deuxième exercice (dilatation superficielle)

Dans une école secondaire, une vente de verre a une superficie de 1,4 m 2, si la température est à 21 ° C. Quelle sera votre zone finale lorsque la température atteindra 35 ° C?

Solution

Af = A0 [1 + (Tf - T0)]

Af = 1,4 m² [1] 204,4 x 10^-6]

Af = 1,4 m² . 1,0002044

Af = 1,40028616 m²

Pourquoi la dilatation se produit-elle?

Tout le monde sait que tout le matériel est composé de diverses particules subatomiques. En modifiant la température, augmentez ou diminuez, ces atomes commencent un processus de mouvement qui peut changer 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, par conséquent, la forme ou le volume de l'objet augmente.

Dans le cas de températures négatives, l'inverse se produit, dans ce cas le volume de l'objet est généralement contracté par de basses températures.

Références

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