Le coefficient de dilatation, également appelé coefficient de dilatation thermique, est une propriété physique des matériaux qui décrit comment le volume, la longueur ou une autre dimension d'un matériau change en raison d'un changement de température. C'est-à-dire qu'il s'agit d'une mesure qui indique à quel point un matériau se dilate ou se contracte lorsqu'il est chauffé ou refroidi.
Lorsque la température d'un matériau augmente, ses atomes ou molécules ont tendance à vibrer avec une plus grande énergie, ce qui entraîne une augmentation de l'espace entre eux, ce qui à son tour provoque l'expansion du matériau.
De même, lorsque le matériau se refroidit, la diminution de l'énergie thermique amène les atomes ou les molécules à se rapprocher, provoquant une contraction.
Le coefficient de dilatation est généralement désigné par la lettre grecque "α" (alpha) et est mesuré en unités de 1/°C (inverse des degrés Celsius) ou 1/°K (inverse du kelvin). Selon le type de dilatation thermique (volumétrique, linéaire ou superficielle), le coefficient de dilatation peut avoir des valeurs différentes.
Types de coefficients de dilatation
Il existe trois principaux types de coefficients de dilatation, qui sont utilisés pour décrire différents types de dilatation dans les matériaux. Ces coefficients sont communément notés :
Coefficient de dilatation linéaire (αl)
Le coefficient de dilatation linéaire fait référence au changement de longueur d'un matériau dans une seule dimension (par exemple, dans une barre ou un tube) en raison de changements de température.
Il est utilisé lorsque le matériau a des propriétés anisotropes (c'est-à-dire que ses propriétés diffèrent dans différentes directions).
Coefficient d'expansion volumétrique (αv)
Le coefficient de dilatation volumétrique décrit comment le volume d'un matériau varie avec les changements de température.
Il est calculé à partir des coefficients de dilatation linéaire en trois dimensions (dans le cas de matériaux isotropes). Pour les matériaux isotropes (avec des propriétés égales dans toutes les directions), le coefficient de dilatation volumétrique est lié au coefficient de dilatation linéaire (αl) par l'équation :
αv = 3 * αl
Coefficient de dilatation de surface (αs)
Le coefficient de dilatation de surface s'applique aux matériaux en feuilles ou en plaques, où la dilatation se produit principalement dans deux dimensions (longueur et largeur) en raison des changements de température.
Ce coefficient est lié au coefficient de dilatation linéaire et est utilisé dans les calculs où la dilatation dans seulement deux directions doit être prise en compte.
Comment est déterminé le coefficient de dilatation d'un matériau ?
Le coefficient de dilatation thermique est déterminé expérimentalement par un processus appelé analyse dilatométrique. Une méthode générale pour déterminer le coefficient de dilatation linéaire d'un matériau est décrite ci-dessous :
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Un échantillon du matériau à analyser est sélectionné. L'échantillon peut se présenter sous la forme d'une barre, d'un fil, d'une feuille ou d'une autre géométrie facilitant les mesures.
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La longueur initiale de l'échantillon est mesurée à l'aide d'un instrument de mesure précis, tel qu'un pied à coulisse ou une règle millimétrique. Ce sera la longueur de référence (L0).
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L'échantillon est placé dans un appareil appelé dilatomètre ou interféromètre, qui permet de mesurer avec précision les changements de longueur de l'échantillon par rapport aux changements de température.
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L'échantillon est soumis à un chauffage contrôlé dans la plage de température d'intérêt de manière uniforme et progressive.
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Au fur et à mesure que la température augmente, les mesures de longueur de l'échantillon sont enregistrées à des intervalles de température réguliers.
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Avec les données collectées, un graphique de dilatation thermique est construit, montrant comment la longueur de l'échantillon change en fonction de la température. La pente de ce graphique fournit des informations sur le coefficient de dilatation linéaire du matériau.
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Le coefficient de dilatation linéaire (αl) est calculé à partir du graphique de dilatation thermique en utilisant la formule suivante :
αl = (ΔL / (L0 * ΔT))
Où:
αl = Coefficient de dilatation linéaire
ΔL = Changement de longueur d'échantillon
L0 = longueur initiale de l'échantillon
ΔT = Changement de température subi
Exemples de coefficients de dilatation
Vous trouverez ci-dessous un tableau avec les coefficients approximatifs de dilatation linéaire pour certains matériaux importants. Les valeurs sont en unités de microdéformation par degré Celsius (µε/°C).
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Matériel |
Coefficient de dilatation linéaire (µε/°C) |
Description |
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Acier (acier au carbone) |
11 - 13 |
L'acier est un alliage de fer avec du carbone, largement utilisé dans la construction, les machines et d'autres applications en raison de sa haute résistance et de sa malléabilité. Son coefficient de dilatation modéré le rend adapté à diverses applications. |
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Béton (Béton) |
8 - 12 |
Le béton est un mélange de ciment, de granulats et d'eau, utilisé pour construire des structures solides et durables. Il a un coefficient de dilatation inférieur à celui d'autres matériaux, ce qui le rend adapté aux fondations et aux structures massives. |
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Verre (verre borosilicaté) |
3. 4 |
Le verre borosilicaté est un type de verre résistant à la chaleur et aux produits chimiques. Il est utilisé dans les applications où la transparence et la résistance thermique sont requises, telles que les ustensiles de laboratoire et les fenêtres à haute résistance. |
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Verre (verre commun) |
8 - 10 |
Le verre commun est un matériau largement utilisé dans les fenêtres, les conteneurs et les applications architecturales. Son coefficient de dilatation est plus élevé que le verre borosilicaté, ce qui le rend plus sujet à la dilatation avec les changements de température. |
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Aluminium |
22 - 24 |
L'aluminium est un métal solide et léger avec une large gamme d'applications dans l'industrie, du transport à l'électronique. Son coefficient de dilatation élevé le rend idéal pour les applications nécessitant une faible inertie thermique. |
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Cuivre |
16 - 18 |
Le cuivre est un excellent conducteur d'électricité et de chaleur, utilisé dans les applications électriques et électroniques. Son coefficient de dilatation modéré le rend adapté aux applications où une bonne conductivité thermique est requise. |
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Laiton |
19 - 20 |
Le laiton est un alliage de cuivre et de zinc, prisé pour sa brillance et sa malléabilité. Il est utilisé dans les applications où une combinaison de résistance, de conductivité et d'esthétique est requise, comme les accessoires et les éléments décoratifs. |
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Argent |
19 - 20 |
L'argent est un métal précieux connu pour sa haute conductivité électrique et thermique. Son coefficient de dilatation modéré le rend adapté aux applications où une bonne conductivité thermique avec moins de dilatation thermique est requise. |
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Fer |
11 - 12 |
Le fer est un métal abondant utilisé dans la construction et la fabrication de diverses structures et produits industriels. Son coefficient de dilatation modéré le rend adapté aux applications structurelles et d'ingénierie. |
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Zinc |
30 - 32 |
Le zinc est un métal utilisé en galvanisation pour protéger l'acier de la corrosion. Son coefficient de dilatation élevé le rend adapté aux applications nécessitant une plus grande dilatation thermique. |
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Céramique (Alumine) |
7 - 8 |
L'alumine est une céramique à haute résistance utilisée dans les applications à haute température et à usure telles que les composants de moteur et les outils de coupe. Son faible coefficient de dilatation le rend adapté aux applications à haute stabilité dimensionnelle. |
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Uranium |
13 - 14 |
L'uranium est un métal radioactif utilisé dans les applications nucléaires et comme combustible dans les réacteurs nucléaires. Son coefficient de dilatation modéré le rend pertinent dans la conception des éléments du réacteur. |