Science et technologie s1008

La dilatation thermique des corps

La dilatation thermique correspond à l'augmentation du volume d'une substance causée par l'augmentation de sa température.

Afin de comprendre la notion de dilatation thermique, il est important de se souvenir que la température correspond au degré d'agitation des particules qui composent une substance. Plus le mouvement de ces particules augmente, plus la température est élevée. Conséquemment, les particules tendent alors à occuper un plus grand espace en raison de l'amplification de leurs mouvements. Il en résulte alors une augmentation de volume qui est parfois visible à l'oeil nu. Ce phénomène est nommé dilatation thermique des corps.

Dans une substance froide, les particules sont plus rapprochées (image de gauche) alors qu'elles prennent de l'expansion lors d'une augmentation de température (image de droite).

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La dilatation thermique des corps affecte toutes les substances, peu importe leur état, mais elle est plus marquée pour les gaz que pour les solides ou les liquides. Par exemple, si on chauffe 1 L d'air afin d'augmenter sa température de 0 à 100°C, le volume de l'air changera pour atteindre 1,36 L environ. Ainsi, l'air chaud occupe plus d'espace que l'air froid. Sa masse volumique est alors plus faible, ce qui est, entre autres, à l'origine des courants de convection atmosphériques et permet d'expliquer le fonctionnement d'une montgolfière.

On chauffe l'air afin que la montgolfière s'élève en altitude.

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Si le gaz est dans un contenant dont le volume est fixe (un bocal en verre par exemple), le phénomène de dilatation thermique ne pourra pas être observé. Il y aura plutôt une augmentation de pression étant donné l'amplification du mouvement des particules. Ce changement de pression est possible étant donné que les gaz sont des fluides compressibles. Ce phénomène ne concerne donc ni les liquides (fluides incompressibles) ni les solides.

Les solides et les liquides subissent aussi une dilatation thermique, mais à une échelle moins importante. Par exemple, une tige de métal s'allonge sous l'effet d'une importante augmentation de température. Bien qu'elle soit quasi imperceptible, cette dilatation thermique doit être considérée lors de la construction de structures imposantes, telles que les ponts ou les chemins de fer, particulièrement dans les régions où la température varie grandement en fonction des saisons. On utilise des joints de dilatation entre les différents paliers des ponts. Puisque les matériaux utilisés pour construire les ponts se contractent en hiver et se dilatent en été, ces joints de dilatation permettent d'absorber les variations de longueur des sections et d'éviter des fissures dans les matériaux utilisés pour construire le pont.

Dilatation thermique du métal sous l'effet d'une flamme (à gauche); 2 types de joints de dilatation utilisés dans la construction des ponts (au centre et à droite).

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On utilise le principe de dilatation thermique dans le fonctionnement des thermomètres. Un thermomètre, composé d'un réservoir à liquide et d'une colonne graduée, permet de mesurer la température, c'est-à-dire le degré d'agitation des particules. Lorsque la température est élevée, le liquide contenu dans le réservoir du thermomètre se dilate et monte dans la colonne graduée au-dessus du réservoir. Au contraire, lorsque la température diminue, le liquide se contracte et descend dans la colonne. C'est la dilatation thermique qui provoque la contraction ou la dilatation du liquide. On utilise généralement de l'alcool coloré en rouge ou parfois du mercure (bien qu'il soit toxique) dans les thermomètres étant donné que ces deux liquides ne se solidifient qu'à de très basses températures.

On peut mesurer la température en degrés Celsius ou en degrés Fahrenheit dans certains thermomètres.

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