La dilatation volumétrique c'est un phénomène physique qui implique une variation des trois dimensions d'un corps. Le volume ou les dimensions de la plupart des substances augmentent lorsqu'ils sont soumis 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 vous souhaitez assembler 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:
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La matière est composée 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..
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 abandonner 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..
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.
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, la dilatation du mercure est bien supérieure à la dilatation du verre qui le contient..
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..
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 représenter cela comme suit:
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..
Lors de la prise d'un plan à l'intérieur d'un corps solide, de sorte que ce plan soit 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.
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 à mesure que 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 de l'eau est mise à l'intérieur d'un réfrigérateur, l'eau se dilate lorsqu'elle gèle et il est difficile d'extraire la glace de son récipient en raison de ladite expansion..
Les différences d'expansion volumétrique peuvent conduire à des effets intéressants dans une station-service. Un exemple est l'essence qui coule 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, provoquant une 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) qui reste dans un réservoir lorsque la jauge est vide est bien moindre en été qu'en hiver.
L'essence a le même volume dans les deux stations lorsque le témoin lumineux 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, combien d'essence sera renversée lorsqu'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 la température est alors:
En combinant ces 3 équations en une, 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..
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