La dilatation des solides : Expansion thermique

Introduction

Lorsque la température d'un solide augmente, celui-ci se dilate : ses dimensions augmentent. C'est ce phénomène appelé expansion thermique.

Qu'est-ce que l'expansion thermique ?

L'expansion thermique est la variation de la taille d'un matériau lorsque sa température change. Elle peut être mesurée pour longueurs, surfaces ou volumes.

Expérience simple

On chauffe un long fil métallique. On observe qu'il devient plus long. Inversement, en le refroidissant, il se raccourcit. Cela montre que la longueur d'un solide varie avec la température.

Equation de l'expansion linéaire

La variation de longueur \(\Delta L\) d'un solide lors d'une variation de température \(\Delta T\) est donnée par :

\( \Delta L = lpha 	imes L_0 	imes \Delta T \)

où :

• \( L_0 \) est la longueur initiale du solide à la température initiale
• \(lpha\) est le coefficient de dilatation linéaire spécifique au matériau (en \( ext{°C}^{-1}\))
• \(\Delta T\) est la variation de température en degrés Celsius (\(^{\circ}C\))

Exemple

Si un fil de longueur \(1\, ext{m}\) a un coefficient \(lpha = 2 imes 10^{-5}\, ext{°C}^{-1}\) et qu'il est chauffé de \(20\,^{\circ} ext{C}\) à \(70\,^{\circ} ext{C}\), sa nouvelle longueur sera :

\( \Delta T = 70 - 20 = 50\,^{\circ}	ext{C} \)
\( \Delta L = 2 	imes 10^{-5} 	imes 1\,	ext{m} 	imes 50 = 0,001\,	ext{m} = 1\,	ext{mm} \)

Applications concrètes

• Les rails de train : pour éviter qu'ils se déforment avec la chaleur.
• Les ponts : ils sont conçus pour laisser de la place à la dilatation.

Conclusion

La dilatation thermique est un phénomène naturel dû à l'augmentation du mouvement des particules avec la chaleur. Elle doit être prise en compte dans la conception des objets liés à la thermique.