Presque toutes les substances (solides, liquides et gaz) se dilatent lors du chauffage et se contractent lors du refroidissement. La dilatation d'une substance lors du chauffage s'appelle la dilatation thermique de cette substance. Il existe trois types d'expansion : linéaire (augmentation de la longueur), superficielle (augmentation de la surface) et cubique (augmentation du volume). Les solides ont une forme définie, donc lorsqu'un solide est chauffé, il se dilate dans toutes les directions, c'est-à-dire que la longueur, la surface et le volume augmentent tous lors du chauffage. Les liquides et les gaz ne montrent qu'une expansion cubique. Lors du chauffage, les liquides se dilatent plus que les solides et les gaz se dilatent beaucoup plus que les liquides. Dans cette leçon, vous allez apprendre :
Lors du chauffage d'un solide, l'énergie cinétique moyenne des molécules du solide augmente. Ils se mettent à vibrer autour de leur position moyenne avec une grande amplitude. Le résultat est que leur position moyenne change de telle sorte que la séparation intermoléculaire entre les molécules augmente, ainsi le solide se dilate dans toutes les directions.
Expérience : Prenez une boule de métal et un anneau.
i) Disposez la boule métallique et l'anneau comme indiqué sur l'image ci-dessous (figure a). La boule de métal doit juste glisser à travers l'anneau lorsque les deux sont à température ambiante.
ii) Chauffez maintenant la boule de métal sur un brûleur (figure b)
iii) Remettez l'anneau en place et essayez de passer la balle à travers l'anneau. Vous remarquerez que la balle se coince.
Raison : En chauffant, la balle se dilate et devient plus grosse en diamètre.
Laissez maintenant la balle refroidir et essayez à nouveau de passer la balle à travers l'anneau, vous remarquerez que la balle passe maintenant à travers l'anneau. En effet, lors du refroidissement, la balle se contracte.
Expansion linéaire
Chaque fois qu'il y a une augmentation de la longueur d'un corps due au chauffage, la dilatation est appelée dilatation linéaire. Considérons la dilatation linéaire dans une tige métallique. L'augmentation de la longueur d'une tige métallique lors de l'échauffement dépend des trois facteurs suivants :
Remarque : L'augmentation de la longueur d'une tige lors du chauffage ne dépend pas du fait qu'elle soit creuse ou pleine
Expansion superficielle des solides
Lorsqu'une plaque de métal est chauffée, sa longueur et sa largeur augmentent toutes les deux. Cela augmente la surface de la plaque. Une augmentation de la surface de la plaque dépend de:
Expansion cubique des solides
Lorsque le solide est chauffé, sa longueur, sa largeur et son épaisseur augmentent toutes, augmentant ainsi le volume. Expérimentalement on observe que l'augmentation de volume d'un solide dépend de :
| Si L 0 est la longueur d'une tige à 0 o C et que sa longueur à t o C est L t , alors une augmentation de longueur est donnée par L t - L 0 = L 0 α t α est le coefficient de dilatation linéaire qui dépend du matériau de la tige. Son unité est par o C |
| Si A 0 est l'aire d'une plaque à 0 o C et que son aire à t o C est A t , alors une augmentation de l'aire est donnée par A t - A 0 = A 0 β t β est le coefficient de dilatation superficielle qui est différent pour différents solides. |
| Si V 0 est le volume d'un solide à 0 o C et que sa surface à t o C est V t , alors l'augmentation de volume est donnée par V t - V 0 = V 0 γ t γ est le coefficient de dilatation cubique qui est différent pour différents matériaux. |
Relation entre α, β et γ : α : β : γ = 1 : 2 : 3 |
Coefficient de dilatation linéaire de certains solides
| Substance | Coefficient de dilatation linéaire ( x 10 -6 par o C) |
| Aluminium | 24 |
| Laiton | 19 |
| Cuivre | 17 |
| Le fer | 12 |
| Invar | 0,9 |
Dilatation thermique des solides dans la vie quotidienne
1. Voies ferrées : Les rails des voies ferrées sont en acier. Lors de la pose des voies ferrées sur les centrales en bois ou en béton, un petit espace est laissé entre les longueurs successives de rails, comme indiqué sur la figure ci-dessous. La raison en est qu'en été, en raison de l'augmentation de la température atmosphérique, chaque rail a tendance à augmenter sa longueur, il reste donc un espace entre les deux rails, sinon le rail se pliera latéralement.
2. Câbles électriques et fils téléphoniques : Le câble électrique dans la ligne de transport d'électricité et les fils téléphoniques entre deux pôles peuvent se rompre en hiver en raison de la contraction et peuvent s'affaisser en été en raison de la dilatation. Par conséquent, lors de la mise en place du fil entre deux poteaux, on veille à ce qu'en été, ils soient légèrement lâches afin qu'ils ne se cassent pas en hiver en raison de la contraction. Et pendant qu'ils sont posés en hiver, ils sont maintenus serrés afin qu'ils ne s'affaissent pas trop en été en raison de l'expansion.
3. Verrerie utilisée dans la cuisine : La verrerie utilisée dans la cuisine est généralement en verre pyrex. La raison en est que le verre pyrex a un très faible coefficient de dilatation cubique, de sorte que la verrerie lors du chauffage ne se dilate pas et ne se fissure pas.
Comme les solides, les liquides se dilatent généralement lors du chauffage. Les liquides se dilatent beaucoup plus que les solides lorsqu'ils sont chauffés. Comme le liquide n'a pas de forme définie mais a un volume défini, les liquides n'ont donc qu'une expansion cubique.
Exception : L'eau se contracte en la chauffant de 0 oC à 4 oC , puis au-delà de 4 oC en la chauffant davantage, elle se dilate. C'est ce qu'on appelle le comportement anormal de l'eau.
Expérience : Prenez un bocal, remplissez les trois quarts avec de l'eau et fermez le bocal. Gardez-le sur le feu. Vous remarquerez qu'au fur et à mesure que l'eau chauffe, le niveau d'eau dans le bocal augmente.
Remarque : lorsqu'un liquide contenu dans le pot est chauffé, le pot est d'abord chauffé et il se dilate en raison de la baisse du niveau du liquide. Par la suite, lorsque la chaleur atteint le liquide, il se dilate, de sorte que le niveau de liquide augmente. Ainsi, la dilatation réelle du liquide est supérieure à la dilatation observée.
Facteurs affectant l'expansion cubique d'un liquide
La dilatation cubique d'un liquide dépend des trois facteurs suivants :
Si V 0 est le volume de liquide à 0 o C et V t le volume de liquide à t o C, alors une augmentation du volume de liquide est donnée par
V t - V o = V 0 γ t
où γ est le coefficient de dilatation cubique du liquide .
Coefficient de dilatation cubique de certains liquides
| Liquide | Coefficient de dilatation cubique γ ( x 10 -4 par o C) |
| Mercure | 1.8 |
| L'eau (au-dessus de 15 O C) | 3.7 |
| Huile de paraffine | 9.0 |
| De l'alcool | 11.0 |
Application de la dilatation thermique des liquides dans la vie quotidienne
La dilatation thermique du liquide est utilisée dans le fonctionnement d'un thermomètre à mercure. Le thermomètre à mercure se compose d'un tube capillaire avec une extrémité fermée et une ampoule cylindrique à l'autre extrémité. L'ampoule est remplie de mercure. Le mercure est un liquide brillant, son niveau est donc facilement visible dans le tube capillaire. Lorsque le bulbe du thermomètre est maintenu en contact avec un corps chaud, le mercure se dilate. Le niveau de mercure monte dans le tube capillaire. Le tube est gradué pour lire la température. Pour chaque degré Celsius d'augmentation de la température, le mercure se dilate du même volume, ce qui facilite l'étalonnage du thermomètre.
Les gaz se dilatent également lorsqu'ils sont chauffés. Les gaz se dilatent beaucoup plus que les liquides et les solides. Comme les liquides, les gaz n'ont pas de forme définie, ils n'ont donc qu'une expansion cubique. Cependant, les gaz contenus dans un volume fixe ne peuvent pas se dilater - et donc les augmentations de température entraînent des augmentations de pression.
Expérience : Prenez une bouteille vide. Attachez un ballon en caoutchouc à son cou. Initialement, le ballon est dégonflé. Placer le flacon dans un bain-marie contenant de l'eau bouillante. Après un certain temps, vous remarquerez que le ballon se gonfle comme indiqué dans la figure ci-dessous. Cela montre que lors du chauffage, l'air enfermé dans la bouteille se dilate et remplit le ballon de sorte que le ballon se gonfle.
Application de la dilatation thermique des gaz dans la vie quotidienne
Montgolfière : Les montgolfières fonctionnent sur le principe de la différence de dilatation thermique entre un gaz et un solide. Parce que l'air chaud à l'intérieur du ballon augmente de taille plus rapidement que le récipient, il étire le sac de sorte qu'il se dilate et déplace l'air plus froid (plus lourd) à l'extérieur du sac. La différence entre la densité de l'air à l'intérieur et à l'extérieur du sac fait monter le ballon. Le refroidissement de l'air à l'intérieur du sac provoque la descente du ballon.
Lorsqu'une substance est chauffée, son volume augmente alors que sa masse reste la même, par conséquent, la densité de la substance (étant le rapport de la masse à son volume) diminue avec l'augmentation de la température. Dans le cas des solides, la diminution de la densité n'est pas perceptible, mais dans le cas des liquides et des gaz, à mesure que la température augmente, le volume augmente d'une quantité appréciable et, par conséquent, la diminution de la densité est tout à fait perceptible.
