La dilatation thermique est le phénomène physique dans lequel un matériau subit une modification de ses dimensions en raison de variations de température.
Lorsque la température d'un objet est augmentée, les particules qui le composent ont tendance à se déplacer avec plus d'énergie et d'amplitude, ce qui provoque une augmentation de l'espace intermoléculaire et, par conséquent, de ses dimensions macroscopiques.
La dilatation thermique est un phénomène pertinent dans de nombreuses applications pratiques et peut avoir des effets significatifs sur les structures, les systèmes mécaniques et les dispositifs thermiques. Les ingénieurs et les concepteurs doivent tenir compte de ces effets lors de la conception de composants et de systèmes qui seront soumis à des changements de température.
Il existe trois principaux types de dilatation thermique : la dilatation linéaire, la dilatation superficielle et la dilatation volumétrique.
Dilatation linéaire
La dilatation linéaire est un type de dilatation thermique qui se produit dans des objets unidimensionnels, tels que des barres, des tiges ou des câbles, lorsqu'ils sont soumis à des changements de température.
Lorsqu'un objet est chauffé, les particules qui le composent acquièrent une plus grande énergie cinétique et s'éloignent les unes des autres, provoquant une augmentation de la longueur de l'objet.
La formule pour calculer l'expansion linéaire d'un objet est la suivante :
ΔL = α * L0 * ΔT
Où:
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ΔL est la variation de longueur.
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L0 est la longueur initiale.
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α est le coefficient de dilatation linéaire du matériau.
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ΔT correspond au changement de température.
Dilatation superficielle
La dilatation superficielle est un autre type de dilatation thermique qui se produit dans des objets bidimensionnels, tels que des feuilles, des plaques ou des surfaces planes, lorsqu'ils sont soumis à des changements de température.
La variation de la surface (ΔA) est liée à la surface initiale (A0), au coefficient de dilatation de surface (β) du matériau et au changement de température (ΔT) par l'équation suivante : ΔA = β * A0 * ΔT
Le coefficient de dilatation superficielle (β) est le double du coefficient de dilatation linéaire (α) : β = 2 * α
Dilatation volumétrique
L'expansion volumétrique fait référence au changement de volume d'un objet tridimensionnel dû aux variations de température.
La dimension affectée est le volume. La variation de volume (ΔV) est liée au volume initial (V0), au coefficient de dilatation volumétrique (γ) du matériau et au changement de température (ΔT) par l'équation suivante : ΔV = γ * V0 * ΔT
Le coefficient de dilatation volumétrique (γ) indique de combien le volume de l'objet se dilatera ou se contractera par unité de changement de température et est trois fois le coefficient de dilatation linéaire (α): γ = 3 * α
Coefficient de dilatation
Chaque matériau a un coefficient de dilatation spécifique qui détermine dans quelle mesure il se dilate ou se contracte par unité de changement de température. Les matériaux avec des coefficients de dilatation plus élevés ont tendance à subir une plus grande dilatation thermique avec l'augmentation de la température.
Les coefficients de dilatation superficielle et volumétrique sont respectivement deux fois et trois fois le coefficient de dilatation linéaire.
Les coefficients de dilatation linéaire sont généralement exprimés en unités de 10-6 par degré Celsius (μm/°C) ou 10-6 par degré Kelvin (μm/K).
De quoi dépend la dilatation thermique d'un matériau ?
La différence de dilatation thermique entre les matériaux dépend de plusieurs caractéristiques intrinsèques de chaque substance.
Premièrement, la structure atomique et le type de liaison dans le matériau jouent un rôle fondamental : les matériaux à liaisons fortes, tels que les cristaux ioniques ou covalents, ont tendance à avoir une dilatation thermique plus faible que ceux à liaisons plus faibles, comme les amorphes.
De plus, la masse atomique, la densité et la distribution des atomes jouent également un rôle, car les matériaux plus denses avec des atomes plus massifs peuvent subir une expansion moindre par rapport aux matériaux moins denses.
Dilatation thermique dans les gaz
Dans le cas des gaz, la variation de volume est régie par d'autres formules. De par leur nature, les gaz ont tendance à occuper tout le volume disponible, en maintenant une relation équilibrée entre la pression, la température et le volume.
Lorsqu'un gaz subit un changement de température, le volume varie en fonction de la façon dont la pression varie selon la loi universelle des gaz.
La loi de Charles et Gay-Lussac stipule qu'à pression constante, le volume d'un gaz parfait est directement proportionnel à sa température absolue (mesurée en Kelvin). L'équation qui représente cette relation est :
V2 = V1 * (T2 / T1 )
Où V1 et V2 sont les volumes initial et final du gaz, et T1 et T2 sont les températures absolues initiale et finale, respectivement.
Exemples de dilatation thermique dans la vie de tous les jours
La dilatation thermique est un phénomène courant dans la vie quotidienne et peut être observée dans de nombreux objets et situations. Voici quelques exemples:
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Expansion des routes et des ponts : Les ponts et les routes sont faits de matériaux tels que le béton et l'acier, qui se dilatent lorsqu'ils sont chauffés et se contractent lorsqu'ils sont refroidis. Pour cette raison, ils sont conçus avec des joints de dilatation pour éviter les fissures et les cassures.
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Expansion des rails de train : Les rails de train, généralement en acier, subissent également une dilatation thermique. Au fur et à mesure que les rails chauffent au soleil, ils peuvent s'allonger, ce qui peut nécessiter des joints de dilatation pour éviter les problèmes de déformation et de distorsion de la voie.
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Expansion dans les liquides : lorsqu'un liquide est chauffé, ses molécules acquièrent de l'énergie cinétique et se déplacent plus rapidement, ce qui entraîne une augmentation du volume du liquide. Un exemple courant est le thermomètre, où la dilatation d'un liquide, tel que le mercure, est utilisée pour mesurer la température.
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Expansion dans les lignes électriques : les câbles électriques, en particulier ceux qui parcourent de longues distances, peuvent subir une expansion thermique en raison des changements de température. Les lignes électriques peuvent se dilater ou se contracter, faisant varier la forme de la caténaire et la force de tension qui les maintient à leurs extrémités.
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Expansion dans les ustensiles de cuisine : lors du chauffage ou du refroidissement de casseroles, de casseroles et d'autres ustensiles de cuisine, les matériaux dont ils sont faits se dilatent ou se contractent, ce qui peut affecter leur forme et leur ajustement.
