Si vous observez attentivement les câbles électriques, vous remarquerez qu'ils sont courbés vers le bas à cause du mou. Pourquoi les câbles électriques sont-ils délibérément détendus plutôt que simplement tendus ? La plupart des toits à Flores et Lembata, dans l'est de Nusa Tenggara, sont en zinc (Zn). De jour comme de nuit, les toits en zinc grincent. Pourquoi le zinc grince-t-il ? Si vous vivez sur l'île de Java, vous avez peut-être déjà observé des voies ferrées. Il y a des espaces au niveau des joints des rails. Quelle est la fonction de ces espaces ? Il y a beaucoup de choses auxquelles vous pouvez réfléchir et que vous pouvez vous demander concernant le thème de la dilatation.
Élargissement en longueur
La plupart des solides subissent une dilatation linéaire lorsque leur température varie. Cela se traduit par une augmentation ou une diminution de leur longueur. Généralement, la longueur d'un objet augmente lorsque sa température augmente, et diminue lorsque sa température diminue. On pourrait croire que la dilatation linéaire ne concerne que les objets fins comme les fils électriques. Prenons l'exemple d'une voiture garée en plein soleil. Si elle surchauffe, sa carrosserie peut s'épaissir ou ses flancs s'allonger. Un toit en zinc peut également subir une dilatation linéaire. Dans ce cas, si le zinc surchauffe, ses bords se dilatent et son épaisseur augmente. Le même phénomène s'observe pour les rails de chemin de fer et les ponts en fer ou en acier.
La plupart des solides se dilatent ou se contractent en fonction des variations de température. Il est donc essentiel de comprendre comment ces variations affectent leur dilatation. Cette connaissance est très utile pour la conception d'équipements, de bâtiments, de véhicules, etc. Prenons l'exemple des joints de rails. Les rails sont en acier. Les ingénieurs ont calculé la largeur de ces joints. Par temps chaud, les rails se dilatent de plusieurs centimètres. Au passage d'un train, leur température augmente, provoquant une nouvelle dilatation. Par temps froid, ils se contractent. Grâce à cette analyse, les ingénieurs estiment l'écartement des joints de rails afin que, malgré les variations de température, les rails ne se touchent pas et ne se déforment pas.
Pour nous aider à établir la formule qui exprime la relation entre la variation de température et la dilatation linéaire, considérons un objet solide en dilatation, comme illustré sur la figure de droite. Légende : To = température initiale, T = température finale, Lo = longueur initiale, L = longueur après expansion, delta L = changement de longueur, delta T = changement de température.
Lorsque la température de l'objet est égale à T₀ ( l'objet est encore froid), sa longueur est égale à L₀ . Lorsque sa température est égale à T (l'objet augmente), sa longueur est égale à L. D'après les observations et les expériences, la variation de longueur d'un objet est proportionnelle à la variation de température. Si la température augmente, la longueur de l'objet augmente. Inversement, si la température diminue, la longueur de l'objet diminue. La variation de longueur est également proportionnelle à la longueur initiale de l'objet (L₀ ) . À variation de température égale, un objet de 10 mètres de long, par exemple, verra sa longueur doubler par rapport à un objet de 5 mètres de long. Ainsi, plus l'objet est long, plus son expansion est importante.
La variation de longueur d'un objet (delta L) est proportionnelle à la variation de température (delta T) :
La variation de longueur de l'objet (delta L) est proportionnelle à sa longueur initiale (L).o):
La variation de longueur de chaque objet est différente. Même s'il est grand changements de température De même, la dilatation du fer diffère de celle du verre. Il en va de même pour tous les matériaux. Par conséquent, la dilatation linéaire dépend du coefficient de dilatation linéaire propre à chaque matériau. Ce coefficient est déterminé expérimentalement. Plus le coefficient est élevé, plus l'allongement est important. Inversement, plus le coefficient est faible, plus l'allongement est faible. On peut donc affirmer que la variation de longueur d'un objet est proportionnelle à son coefficient de dilatation linéaire.
Les trois comparaisons ci-dessus sont exprimées par une équation :
La longueur totale d'un objet après expansion ou contraction s'obtient en additionnant sa longueur initiale (L).o) et les changements de longueur de l'objet (delta L).
Lorsque la température change (TT)o) est négatif, alors le changement de longueur (LL)o) est également négatif. Dans ce cas, la longueur de l'objet diminue. Inversement, si la variation de température (TT)o) est positif, alors le changement de longueur (LLo) est également positif. Dans ce cas, la longueur de l'objet augmente.
Voici le coefficient de dilatation linéaire des solides à une température de 20 ° C. Les liquides et les gaz se déforment, ce qui les empêche de subir une dilatation linéaire. Le coefficient de dilatation linéaire des solides dépend également de la température. À différentes températures, ce coefficient varie. Si l'écart de température est faible, la variation du coefficient de dilatation linéaire sera également faible et peut donc être négligée.
Expansion du volume
Seuls les objets solides subissent une dilatation en longueur, tandis que tous les objets, qu'ils soient solides, liquides ou gazeux, subissent une dilatation en volume. L'équation de la dilatation en volume est similaire à celle de la dilatation en longueur.
L'équation de dilatation volumique ci-dessus n'est valable que lorsque la variation de volume d'un objet (solide, liquide ou gazeux) est inférieure à son volume initial. Si la variation de volume est supérieure au volume initial, l'équation ne donne pas de résultats précis. Généralement, la variation de volume des solides est faible. En revanche, le coefficient de dilatation volumique des liquides et des gaz est relativement élevé. De plus, ce coefficient varie fortement avec la température. Par conséquent, la formule ci-dessus ne s'applique qu'à la dilatation des solides. La formule permettant de calculer la variation de volume des gaz sera étudiée en classe de première, dans le cadre du cours sur la cinétique des gaz.
