Contenu
- TL; DR (Trop long; n'a pas lu)
- Application de l'expansion en physique
- Applications de l'expansion thermique des solides dans la vie quotidienne
- Dilatation thermique de la thermodynamique
- Tenseurs en expansion
- Application de l'expansion et de la contraction
- Températures de préchauffage de l'expansion
- Variation de l'expansion thermique parmi les matériaux
- Expansion thermique par état de la matière
Les chemins de fer et les ponts peuvent nécessiter des joints de dilatation. Les tuyaux de chauffage à eau chaude en métal ne doivent pas être utilisés dans de longues longueurs linéaires. Les microscopes électroniques à balayage doivent détecter les changements infimes de température pour changer leur position par rapport à leur foyer. Les thermomètres à liquide utilisent du mercure ou de l'alcool, de sorte qu'ils ne s'écoulent que dans un sens lorsque le liquide se dilate en raison des changements de température. Chacun de ces exemples montre comment les matériaux se dilatent sous l'effet de la chaleur.
TL; DR (Trop long; n'a pas lu)
La dilatation linéaire d'un solide sous un changement de température peut être mesurée à l'aide de Δℓ / = αΔT et trouve des applications dans la manière dont les solides se dilatent et se contractent au quotidien. La contrainte subie par l'objet a des implications en ingénierie lors de l'ajustement d'objets entre eux.
Application de l'expansion en physique
Lorsque le matériau solide se dilate en réponse à une augmentation de la température (dilatation thermique), sa longueur peut augmenter dans un processus appelé dilatation linéaire.
Pour un solide de longueur ℓ, vous pouvez mesurer la différence de longueur Δℓ due à un changement de température ΔT afin de déterminer α, le coefficient de dilatation thermique du solide selon l'équation: Δℓ / ℓ = αΔT pour un exemple d'application d'expansion et de contraction.
Cette équation suppose toutefois que le changement de pression est négligeable pour un petit changement fractionnaire de longueur. Ce rapport Δℓ / ℓ est également appelé contrainte matérielle, notéthermique. La contrainte, une réponse des matériaux au stress, peut provoquer une déformation.
Vous pouvez utiliser les coefficients d'expansion linéaire des boîtes à outils d'ingénierie pour déterminer le taux d'expansion d'un matériau proportionnellement à la quantité de ce matériau. Il peut vous dire à quel point un matériau se dilate en fonction de la quantité de matériau que vous avez, ainsi que du degré de changement de température que vous appliquez pour une application de dilatation en physique.
Applications de l'expansion thermique des solides dans la vie quotidienne
Si vous souhaitez ouvrir un pot étanche, vous pouvez le faire couler sous l’eau chaude pour dilater légèrement le couvercle et faciliter son ouverture. En effet, lorsque des substances, telles que des solides, des liquides ou des gaz, sont chauffées, leur l'énergie cinétique moléculaire augmente. L'énergie moyenne des atomes vibrant dans le matériau augmente. Cela augmente la séparation entre les atomes et les molécules qui fait que le matériau se dilate.
Bien que cela puisse entraîner des changements de phase, tels que la fonte de la glace dans l’eau, la dilatation thermique résulte généralement plus directement de l’augmentation de la température. Vous utilisez le coefficient linéaire de dilatation thermique pour décrire cela.
Dilatation thermique de la thermodynamique
Les matériaux peuvent se dilater ou se contracter en réponse à ces changements chimiques, entraînant un changement de taille à grande échelle par rapport à ces processus chimiques et thermodynamiques à petite échelle, de la même manière que les ponts et les bâtiments peuvent se dilater sous une chaleur extrême. En ingénierie, vous pouvez mesurer l'évolution de la longueur d'une substance solide due à la dilatation thermique.
Matériel anisotropeLes s, qui varient dans leur substance entre les différentes directions, peuvent avoir des coefficients de dilatation linéaires différents selon la direction. Dans ces cas, vous pouvez utiliser des tenseurs pour décrire la dilatation thermique en tant que tenseur, une matrice décrivant le coefficient de dilatation thermique dans chaque direction: x, y et z.
Tenseurs en expansion
Polycristallin les matériaux qui composent le verre avec des coefficients de dilatation thermique microscopiques proches de zéro sont très utiles pour les réfractaires tels que les fours et les incinérateurs. Les tenseurs peuvent décrire ces coefficients en prenant en compte différentes directions d'expansion linéaire dans ces matériaux anisotropes.
La cordiérite, un matériau silicaté ayant un coefficient de dilatation thermique positif et un coefficient négatif, signifie que son tenseur décrit une variation de volume essentiellement nulle. Cela en fait une substance idéale pour les réfractaires.
Application de l'expansion et de la contraction
Un archéologue norvégien a émis l'hypothèse que les Vikings utilisaient la dilatation thermique de cordiérite pour les aider à naviguer dans les mers il y a des siècles. En Islande, avec de grands cristaux de cordiérite transparents et transparents, ils utilisaient des pierres de soleil en cordiérite capables de polariser la lumière dans une certaine direction uniquement dans certaines orientations du cristal pour les laisser naviguer par temps nuageux et couvert. Comme les cristaux allaient grossir même avec un faible coefficient de dilatation thermique, ils présentaient une couleur vive.
Les ingénieurs doivent tenir compte de la dilatation et de la contraction des objets lors de la conception de structures telles que des bâtiments et des ponts. Lorsqu'ils mesurent des distances pour des levés de terrain ou pour la conception de moules et de conteneurs pour matériaux chauds, ils doivent tenir compte de la dilatation possible de la terre ou d'un verre en fonction des changements de température subis.
Les thermostats reposez-vous sur des bandes bimétalliques composées de deux fines bandes de métal placées l'une sur l'autre. Ainsi, l'une se dilate beaucoup plus que l'autre en raison des changements de température. Cela provoque la courbure de la bande et, le cas échéant, la boucle d’un circuit électrique.
Cela provoque le démarrage du climatiseur et, en modifiant les valeurs des thermostats, la distance entre la barrette pour fermer le circuit change. Lorsque la température extérieure atteint la valeur souhaitée, le métal se contracte pour ouvrir le circuit et arrêter le climatiseur. Ceci est l’un des nombreux exemples d’expansion et de contraction.
Températures de préchauffage de l'expansion
Lors du préchauffage des composants métalliques entre 150 ° C et 300 ° C, ils se dilatent et peuvent donc être insérés dans un autre compartiment, un processus connu sous le nom de raccord thermo-rétractable. Les méthodes d’UltraFlex Power Technologies ont consisté à installer un isolant en téflon à ajustement thermorétractable sur un fil en chauffant un tuyau en acier inoxydable à 350 ° C à l’aide d’une bobine à induction.
La dilatation thermique peut être utilisée pour mesurer la saturation en solides parmi les gaz et les liquides qu’elle absorbe au fil du temps. Vous pouvez configurer une expérience pour mesurer la longueur d'un bloc séché avant et après lui permettant d'absorber de l'eau au fil du temps. Le changement de longueur peut donner le coefficient de dilatation thermique. Cela a une utilité pratique pour déterminer la façon dont les bâtiments se dilatent avec le temps lorsqu'ils sont exposés à l'air.
Variation de l'expansion thermique parmi les matériaux
Les coefficients de dilatation thermique linéaires varient à l'inverse du point de fusion de cette substance. Les matériaux ayant des points de fusion plus élevés ont des coefficients de dilatation thermique linéaires inférieurs. Les chiffres vont d'environ 400 K pour le soufre à environ 3 700 pour le tungstène.
Le coefficient de dilatation thermique varie également en fonction de la température du matériau lui-même (notamment si la température de transition vitreuse a été franchie), de la structure et de la forme du matériau, des additifs éventuellement impliqués dans l'expérience et de la réticulation potentielle entre les polymères du polymère. substance.
Polymères amorphes, ceux sans structures cristallines, ont tendance à avoir des coefficients de dilatation thermique plus bas que ceux semi-cristallins. Parmi le verre, le verre à base d'oxyde de sodium, de silicium et de sodium ou de silicate sodocalcique, a un coefficient assez faible de 9, alors que le verre au borosilicate, utilisé pour fabriquer des objets en verre, est de 4,5.
Expansion thermique par état de la matière
La dilatation thermique varie entre les solides, les liquides et les gaz. Les solides conservent généralement leur forme sauf s’ils sont contraints par un conteneur. Ils s’étendent à mesure que leur surface change par rapport à leur surface initiale, selon un processus appelé expansion surfacique ou expansion superficielle, ainsi que leur volume changeant par rapport au volume initial par expansion volumétrique. Ces différentes dimensions vous permettent de mesurer l'expansion de solides sous de nombreuses formes.
L'expansion liquide est beaucoup plus susceptible de prendre la forme du conteneur, vous pouvez donc utiliser l'expansion volumétrique pour l'expliquer. Le coefficient linéaire de dilatation thermique des solides est α, le coefficient pour les liquides est β et la dilatation thermique des gaz est la loi des gaz idéale PV = nRT pour la pression P, le volume V, nombre de taupes n, constante de gaz R et la température T.