Calculatrice d'expansion thermique

Qu'est-ce que l'expansion thermique?

L'expansion thermique est la tendance de la matière à changer de volume lorsqu'elle est soumise à un changement de température. Généralement, les matériaux s'étendent lorsqu'ils sont chauffés et se contractent lorsqu'ils sont refroidis, bien qu'il y ait quelques exceptions notables. Ce phénomène touche pratiquement tous les objets physiques, des plus petits composants de micropuces aux ponts massifs et aux voies ferrées.

La science derrière l'expansion thermique

Au niveau moléculaire, l'expansion thermique se produit parce que lorsqu'un matériau est chauffé, ses particules (atomes et molécules) gagnent en énergie cinétique et vibrent plus vigoureusement. Cette augmentation du mouvement entraîne une augmentation de la distance moyenne entre les particules. Au fur et à mesure que les particules s'éloignent les unes des autres, les dimensions globales du matériau augmentent.

Les forces intermoléculaires entre les particules jouent également un rôle clé. À mesure que la température augmente, ces forces s'affaiblissent légèrement, ce qui permet une plus grande séparation entre les molécules. Pour la plupart des matériaux, la courbe d'énergie potentielle entre les molécules est asymétrique, ce qui signifie que la répulsion augmente plus fortement à des distances rapprochées que l'attraction diminue à des distances plus grandes, ce qui entraîne une expansion nette.

Types d'expansion thermique

L'expansion thermique se manifeste sous trois formes principales:

• Extension linéaire:Le changement de longueur d'un matériau. Il est décrit par le coefficient d'expansion linéaire (α).
• Expansion de la zone :Aussi appelé expansion superficielle, il fait référence au changement de surface. Pour les matériaux isotropes, le coefficient d'expansion de la surface est environ deux fois le coefficient linéaire (2α).
• Augmentation du volume:Aussi connu sous le nom d'expansion cubique, il mesure le changement de volume. Pour les matériaux isotropes, le coefficient d'expansion volumétrique est environ trois fois le coefficient linéaire (3α).

Expansion dans différents États de la matière

Applications et défis techniques

L'expansion thermique a de nombreuses implications techniques :

• Joints d'expansion:Les ponts, les bâtiments et les pipelines comportent des joints d'expansion pour tenir compte des changements dimensionnels sans causer de stress ou de dommages.
• Bandes bimétalliques:Utilisés dans les thermostats et les interrupteurs à température contrôlée, ces appareils utilisent les différents taux d'expansion de deux métaux liés.
• Voies ferrées:Des écarts sont intentionnellement laissés entre les tronçons de voies ferrées afin d'éviter les flambements (coups de soleil) par temps chaud.
• Pression thermique:Lorsque l'expansion est limitée, la contrainte thermique se développe qui peut conduire à la défaillance du matériau si elle n'est pas bien gérée.
• Instruments de précision:Les instruments scientifiques à haute précision utilisent souvent des matériaux à faible expansion comme Invar (alliage nickel-fer).

L'expansion anormale de l'eau

L'eau présente des propriétés d'expansion thermique inhabituelles. Contrairement à la plupart des substances, la densité maximale de l'eau se situe à environ 4 °C (39,2 °F). Une fois refroidi à partir de la température ambiante, l'eau se contracte comme prévu jusqu'à atteindre 4°C. Cependant, un refroidissement supplémentaire de 4°C à 0°C (son point de congélation) l'entraîne à se développer.

Cette propriété anormale est cruciale pour les écosystèmes aquatiques. En hiver, lorsque l'eau de surface des lacs se refroidit à 4°C, elle s'enfonce (étant plus dense), créant ainsi un schéma de circulation. Une fois l'eau de surface refroidie en dessous de 4°C, elle devient moins dense et reste sur le dessus, formant éventuellement de la glace qui flotte. Cette couche de glace isole l'eau en dessous, ce qui permet à la vie aquatique de survivre même dans les lacs gelés.

Coefficients d'expansion thermique

Les matériaux varient considérablement dans leurs propriétés d'expansion. Par exemple:

• PTFE (Teflon) a l'un des coefficients les plus élevés parmi les solides à 119 × 10-6/°C
• La plupart des métaux varient de 10-30 × 10-6/°C
• Invar, spécialement conçu pour une faible expansion, a un coefficient aussi bas que 0,6 × 10-6/°C
• Le verre à quartz a un coefficient exceptionnellement bas d'environ 0,4 × 10-6/°C

Ces différences de coefficients de dilatation thermique peuvent être exploitées dans diverses applications mais présentent aussi des défis lors de l'assemblage de matériaux différents.

Description mathématique

L'expansion thermique est la tendance de la matière à changer sa forme, sa surface et son volume en réponse à un changement de température. La formule d'expansion linéaire calcule le changement de longueur d'un matériau.

Pour calculer la dilatation thermique, suivez ces étapes :

1. 1
   Mesurer la longueur initiale du matériau
2. 2
   Déterminer le coefficient de dilatation linéaire du matériau
3. 3
   Calculer la variation de température
4. 4
   Multipliez toutes les valeurs ensemble pour obtenir le changement de longueur

Coefficients communs de dilatation linéaire (1/°C):

• Aluminium: 23 × 10−6
• Acier: 12 × 10−6
• Cuivre: 17 × 10−6
• Verre: 9 × 10−6
• Béton: 12 × 10−6