La dilatation thermique et ses applications

Uuuuhhh ! Linaa ! Peux-tu m'aider à ouvrir ce bocal ? C'est coincé! Comment fait-on pour l'ouvrir ?

Essaye cette astuce ! Prends un bol et verse-y un peu d'eau chaude. Place le bocal fermé dans le bol, à l'envers, afin que le couvercle soit immergé. Laisse-le là pendant quelques minutes. Sors le bocal, essaye de l'ouvrir maintenant.

Oh wow, c'était facile! Comment est-ce arrivé?! Le bocal et le couvercle, comme toutes les substances, sont constitués de particules mobiles. Ce mouvement est influencé par la température. Lorsqu'une substance ou un objet est chauffé, les particules à l'intérieur commencent à se déplacer plus rapidement et à s'éloigner les unes des autres.

Cela provoque l'expansion du matériau. Cette tendance des substances à se dilater lorsqu'elles sont chauffées s'appelle dilatation thermique. D'autre part, lorsqu'une substance est refroidie, c'est l'inverse qui se produit. Les particules en mouvement dans la substance ralentissent et se sont rapprochées. Le volume de la substance diminue; la substance se contracte.

C'est la contraction thermique. Combien un matériau se dilate ou se contracte, dépend du changement de température, la quantité de matière, et les propriétés du matériau. Différents matériaux se dilatent à des rythmes différents. Avec notre pot, lorsque l'eau chaude chauffe le couvercle en métal, le volume du couvercle change et son diamètre augmente. Le bocal en verre ne se dilate pas autant, donc la différence de diamètre devient juste assez pour dévisser le couvercle.

Les différentes vitesses auxquelles les matériaux se dilatent — les coefficients de dilatation - sont très importants lors de la construction de bâtiments, ponts ou autres grandes structures. Ceux-ci sont souvent construits en béton, renforcé avec des tiges d'acier. Les tiges d'acier doivent se dilater et se contracter à peu près au même rythme que le béton. Sinon, le béton peut se fissurer et s'effriter avec le temps. Les voies ferrées sont souvent exposées à des changements de température importantes.

Si les rails sont soudés ensemble sans espace entre eux, il n'y a pas de place pour qu'ils se dilatent lorsque la température augmente. Les rails pourraient se tordre et se déformer, ce qui peut entraîner le déraillement d'un train ! Une façon d'éviter la déformation, est d'utiliser des segments de rail plus courts et de laisser un petit espace entre eux. Car l'expansion est proportionnelle à la quantité de matière - des segments de rails plus courts se dilatent moins que les plus longs. Les espaces entre les rails permettent aux rails de se dilater, sans les déformer.

La dilatation thermique est souvent utilisée pour indiquer la température. Le plus souvent, il est utilisé dans les thermomètres à liquide en verre traditionnels. Ceux-ci ont un tube capillaire qui contient du liquide, comme de l'alcool. L'échelle du thermomètre correspond à la dilatation du liquide à l'intérieur du tube capillaire en fonction du changement de température. Un autre type de thermomètre implique une bande spéciale faite de deux types de métaux différents fusionnés sur toute leur longueur - bande bi-métal.

Les deux métaux se dilatent et se contractent à des taux différents lorsqu'ils sont chauffés ou refroidis. Cela provoque la flexion du bilame. De telles bandes sont souvent utilisées dans les appareils qui contrôlent la température — les thermostats. Les gaz sont également affectés par la dilatation thermique ! Prenez, par exemple, les pneus de voiture et de vélo.

Les pneus ont souvent des recommandations du fabricant qui indique combien d'air et de pression ils peuvent contenir. Pourquoi? Eh bien, lorsqu'une voiture ou un vélo roule rapidement, l'air à l'intérieur se réchauffe et se dilate. Si un pneu est surgonflé, il peut éclater ! La plupart des matériaux de notre vie quotidienne sont exposés à des températures changeantes, donc ils se dilatent et se contractent tout le temps.

La connaissance de la dilatation thermique permet aux concepteurs, ingénieurs et fabricants pour créer de meilleures solutions et de meilleurs produits. Et ça peut être utile la prochaine fois que vous aurez du mal à ouvrir un pot !