Expansion thermique des solides. Qu'arrive-t-il à l'eau lorsqu'elle est chauffée

(coefficient volumétrique de dilatation thermique). Pour caractériser la dilatation thermique des solides, le coefficient de dilatation thermique linéaire est en outre introduit.

La branche de la physique qui étudie cette propriété s'appelle dilatométrie.

La dilatation thermique des corps est prise en compte lors de la conception de toutes les installations, instruments et machines fonctionnant dans des conditions de température variables.

Loi fondamentale de la dilatation thermique déclare qu'un corps de taille linéaire dans la dimension correspondante, avec une augmentation de sa température de, se dilate d'une quantité égale à :

où est ce qu'on appelle le coefficient de dilatation thermique linéaire. Des formules similaires sont disponibles pour calculer les changements de surface et de volume d’un corps. Dans le cas le plus simple présenté, lorsque le coefficient de dilatation thermique ne dépend ni de la température ni de la direction de dilatation, la substance se dilatera uniformément dans toutes les directions en stricte conformité avec la formule ci-dessus.

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DILATATION THERMIQUE, changement dans la taille et la forme d'un corps lorsque sa température change. Caractérisé par des coefficients volumétriques (pour solides et linéaire), dilatation thermique, c'est-à-dire modification du volume (dimensions linéaires) du corps lorsqu'il change... ... Encyclopédie moderne

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dilatation thermique- - [Ya.N.Luginsky, M.S.Fezi Zhilinskaya, Yu.S.Kabirov. Dictionnaire anglais-russe de génie électrique et de génie électrique, Moscou, 1999] Thèmes de génie électrique, concepts de base FR expansion thermiqueexpansion thermique ... Guide du traducteur technique

DILATATION THERMIQUE- modification de la taille et de la forme des corps lorsqu'ils sont chauffés. La différence des forces d'adhésion entre les molécules du corps dans ses différents agrégats (voir) affecte la valeur de T. r. Les solides dont les molécules interagissent fortement se dilatent peu, les liquides... ... Grande encyclopédie polytechnique

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Changement de taille du corps lorsqu'il est chauffé ; caractérisé par le coefficient de dilatation volumétrique αυ = 1/V (ΔV/VT)Ξ, et pour les solides et le coefficient de dilatation linéaire αл = 1/l(Δl/ΔТ)Ξ, où Δl est le changement de taille linéaire, ΔV est le volume du corps, ΔТ ... ... Dictionnaire encyclopédique

La modification des dimensions linéaires d'un corps lorsqu'il est chauffé est proportionnelle à la variation de température.

La grande majorité des substances se dilatent lorsqu'elles sont chauffées. Cela s'explique facilement du point de vue de la théorie mécanique de la chaleur, puisque lorsqu'elles sont chauffées, les molécules ou les atomes d'une substance commencent à se déplacer plus rapidement. Dans les solides, les atomes commencent à vibrer avec une plus grande amplitude autour de leur position moyenne dans le réseau cristallin et ont besoin de plus d’espace libre. En conséquence, le corps se dilate. De même, les liquides et les gaz, pour la plupart, se dilatent avec l'augmentation de la température en raison de l'augmentation de la vitesse. mouvement thermique molécules libres ( cm. Loi Boyle-Mariotte, Loi Charles, Équation des gaz parfaits).

La loi fondamentale de la dilatation thermique stipule qu'un corps de taille linéaire L dans la dimension correspondante lorsque sa température augmente de Δ T se dilate d'un montant Δ L, égal à:

Δ L = αLΔ T

Où α — soi-disant coefficient de dilatation thermique linéaire. Des formules similaires sont disponibles pour calculer les changements de surface et de volume d’un corps. Dans le cas le plus simple présenté, lorsque le coefficient de dilatation thermique ne dépend ni de la température ni de la direction de dilatation, la substance se dilatera uniformément dans toutes les directions en stricte conformité avec la formule ci-dessus.

Pour les ingénieurs, la dilatation thermique est un phénomène vital. Concevoir un pont en acier au-dessus d'une rivière dans une ville avec climat continental, on ne peut ignorer les possibles différences de température allant de -40°C à +40°C tout au long de l'année. De telles différences entraîneront une modification de la longueur totale du pont jusqu'à plusieurs mètres, et pour que le pont ne se soulève pas en été et ne subisse pas de fortes charges de traction en hiver, les concepteurs composent le pont à partir de sections distinctes, les reliant avec spécial joints tampons thermiques, qui sont des rangées de dents qui s'engagent, mais ne sont pas reliées de manière rigide, qui se ferment étroitement à la chaleur et divergent assez largement par temps froid. Sur long pont il peut y avoir un certain nombre de tampons de ce type.

Cependant, tous les matériaux, notamment les solides cristallins, ne se dilatent pas uniformément dans toutes les directions. Et tous les matériaux ne se dilatent pas de la même manière lorsque différentes températures. La plupart exemple brillant le dernier type est l'eau. Lorsque l’eau refroidit, elle se contracte d’abord, comme la plupart des substances. Cependant, de +4°C jusqu'au point de congélation de 0°C, l'eau commence à se dilater lorsqu'elle est refroidie et à se contracter lorsqu'elle est chauffée (du point de vue de la formule ci-dessus, on peut dire que dans la plage de température de 0°C à +4°C le coefficient de dilatation thermique de l'eau α accepte Sens négatif). C'est grâce à cet effet rare que les mers et les océans de la Terre ne gèlent pas jusqu'au fond, même lors des gelées les plus sévères : l'eau plus froide que +4°C devient moins dense que l'eau plus chaude et flotte à la surface, déplaçant l'eau avec une température au-dessus de +4°C vers le bas.

Qu'est-ce que la glace a densité spécifique inférieure à la densité de l'eau est une autre propriété anormale (bien que non liée à la précédente) de l'eau, à laquelle nous devons l'existence de la vie sur notre planète. Sans cet effet, la glace coulerait au fond des rivières, des lacs et des océans, et ceux-ci, à nouveau, gèleraient jusqu'au fond, tuant tous les êtres vivants.

La grande majorité des substances ont tendance à se dilater lorsqu’elles sont chauffées. Ce qui est assez facile à expliquer du point de vue de la théorie mécanique de la chaleur. Selon celui-ci, lorsqu'ils sont chauffés, les atomes et les molécules d'une substance commencent à se déplacer plus rapidement. Dans les solides, les vibrations atomiques atteignent de plus grandes amplitudes et nécessitent plus d’espace libre. En conséquence, le corps se dilate.

Le même processus se produit avec les liquides et les gaz. Autrement dit, en raison d'une augmentation de la température, la vitesse du mouvement thermique des molécules libres augmente et le corps se dilate. En conséquence, lors du refroidissement, le corps se contracte. Ceci est typique de presque toutes les substances. Sauf pour l'eau.

Lorsqu'elle est refroidie entre 0 et 4°C, l'eau se dilate. Et il rétrécit lorsqu'il est chauffé. Lorsque la température de l'eau atteint 4°C, l'eau a à ce moment une densité maximale égale à 1000 kg/m3. Si la température est inférieure ou supérieure à cette marque, la densité est toujours légèrement inférieure.

Grâce à cette propriété, lorsque la température de l'air baisse en automne et en hiver, dans les réservoirs profonds, processus intéressant. Lorsque l'eau refroidit, elle descend plus bas, mais seulement jusqu'à ce que sa température atteigne +4°C. C’est pour cette raison que dans les grandes étendues d’eau, l’eau plus froide est plus proche de la surface et l’eau plus chaude coule au fond. Ainsi, lorsque la surface de l’eau gèle en hiver, les couches plus profondes continuent de maintenir une température de 4°C. Grâce à ce moment, les poissons peuvent hiverner en toute sécurité dans les profondeurs des réservoirs couverts de glace.

Impact de l’expansion de l’eau sur le climat

Ainsi, les couches d’eau changent continuellement, entraînant un chauffage uniforme jusqu’à atteindre la température correspondant à la densité maximale. Puis, à mesure qu'elles se réchauffent, les couches supérieures deviennent moins denses et ne s'enfoncent plus, mais restent en haut et se réchauffent simplement progressivement. Grâce à ce processus, d'immenses couches d'eau sont assez facilement chauffées par les rayons du soleil.

Grâce aux paragraphes précédents, nous savons que toutes les substances sont constituées de particules (atomes, molécules). Ces particules se déplacent constamment de manière chaotique. Lorsqu’une substance est chauffée, le mouvement de ses particules devient plus rapide. Dans le même temps, les distances entre les particules augmentent, ce qui entraîne une augmentation de la taille du corps.

Le changement de taille d’un corps lorsqu’il est chauffé est appelé dilatation thermique..

La dilatation thermique des solides est facilement confirmée par l'expérience. Une bille d'acier (Fig. 87, a, b, c), traversant librement l'anneau, après chauffage sur une lampe à alcool, se dilate et se coince dans l'anneau. Après refroidissement, la bille repasse librement à travers l'anneau. L'expérience montre que les dimensions d'un solide augmentent lorsqu'il est chauffé et diminuent lorsqu'il est refroidi.

Riz. 87

La dilatation thermique de différents solides n'est pas la même.

Avec la dilatation thermique des solides, d'énormes forces apparaissent qui peuvent détruire des ponts, plier des rails de chemin de fer et briser des câbles. Pour éviter que cela ne se produise, lors de la conception d'une structure particulière, le facteur de dilatation thermique est pris en compte. Les fils des lignes électriques s'affaissent (Fig. 88) de sorte qu'en hiver, lorsqu'ils se contractent, ils ne se cassent pas.

Riz. 88

Riz. 89

Les rails présentent un espace au niveau des joints (Fig. 89). Les parties porteuses des ponts sont placées sur des rouleaux qui peuvent se déplacer lorsque la longueur du pont change en hiver et en été (Fig. 90).

Riz. 90

Les liquides se dilatent-ils lorsqu’ils sont chauffés ? La dilatation thermique des liquides peut également être confirmée expérimentalement. Verser dans des flacons identiques : dans l'un - de l'eau, et dans l'autre - le même volume d'alcool. Nous fermons les flacons avec des bouchons et des tubes. Nous marquons les niveaux initiaux d'eau et d'alcool dans les tubes avec des anneaux en caoutchouc (Fig. 91, a). Placer les flacons dans un récipient avec eau chaude. Le niveau d'eau dans les tubes deviendra plus élevé (Fig. 91, b). L'eau et l'alcool se dilatent lorsqu'ils sont chauffés. Mais le niveau dans le tube du flacon d'alcool est plus élevé. Cela signifie que l'alcool se dilate davantage. Ainsi, dilatation thermique de divers liquides, ainsi que les solides, inégalement.

Riz. 91

Les gaz subissent-ils une dilatation thermique ? Répondons à la question en utilisant l'expérience. Fermer le flacon à l'air avec un bouchon à tube courbé. Il y a une goutte de liquide dans le tube (Fig. 92, a). Il suffit de rapprocher les mains du flacon et la goutte commence à se déplacer vers la droite (Fig. 92, b). Cela confirme la dilatation thermique de l'air lorsqu'il est même légèrement chauffé. De plus, ce qui est très important, tous les gaz, contrairement aux solides et aux liquides, lorsqu'ils sont chauffés s'étendre également.

Riz. 92

Réfléchissez et répondez 1. Qu'appelle-t-on la dilatation thermique des corps ? 2. Donnez des exemples de dilatation thermique (compression) de solides, de liquides et de gaz. 3. En quoi la dilatation thermique des gaz diffère-t-elle de la dilatation thermique des solides et des liquides ?

Faites-le vous-même à la maison

En utilisant bouteille en plastique et un mince tube pour le jus, réalisez une expérience chez vous sur la dilatation thermique de l'air et de l'eau. Décrivez les résultats de l’expérience dans votre cahier.

Intéressant à savoir !

Vous ne pouvez pas boire du thé chaud tout de suite eau froide. Les changements brusques de température entraînent souvent des dommages aux dents. Cela s'explique par le fait que la substance principale de la dent - la dentine - et l'émail qui recouvre la dent se dilatent différemment lors d'un même changement de température.

Lorsque les corps sont chauffés, la moyenne énergie cinétique mouvement vers l'avant molécules et la distance moyenne entre les molécules. Par conséquent, toutes les substances se dilatent lorsqu’elles sont chauffées et se contractent lorsqu’elles sont refroidies. Une distinction est faite entre l'expansion linéaire et volumétrique.

Le changement d'une taille spécifique d'un solide avec des changements de température est appelé expansion linéaire (ou compression).

Où est la longueur de la tige à 0 0,

Coefficient de dilatation linéaire. Dimension = O C -1.

La longueur du corpsà n'importe quelle température t : ;

Avec expansion volumétrique le volume augmente : , où : – volume du corps à 0 0 C.

Volume corporelà toute température t : , où :

Coefficient de dilatation volumique ;

Cela a été établi expérimentalement. C'est pourquoi .

De même pour superficie solide: .

Il existe une exception remarquable dans les liquides : l'eau se contracte lorsqu'elle est chauffée de 0,0 C à +4,0 C, et se dilate lorsqu'elle est refroidie de +4,0 C à 0,0 C. Le coefficient de dilatation volumétrique de l'eau change considérablement avec les changements de température.

Exemples de dilatations thermiques :

Quand l'eau gèle, elle se dilate et se brise rochers, tuyaux métalliques et autres structures techniques.

En automatisation, des plaques bimétalliques sont utilisées, utilisant la différence des coefficients de dilatation linéaire de chacune des deux plaques. Lorsqu'elle est chauffée, la plaque bimétallique perd sa stabilité et appuie sur l'interrupteur, provoquant le fonctionnement de l'actionneur.

La dilatation thermique est importante à prendre en compte lors de la pose de rails, du cordage de câbles, de la construction de ponts, etc. Les bornes des lampes électriques et des lampes radio sont fabriquées dans un matériau dont le coefficient de dilatation linéaire est proche de celui du verre.

Fusion et cristallisation.
Diagramme de phase

Le passage d'une substance de l'état solide à l'état liquide appelé fusion et la transition d'un état liquide à un état solide est durcissement ou cristallisation. La fusion et la solidification se produisent à la même température, appelée température de fusion. La pression n'a pratiquement aucun effet sur la température de fusion. Le point de fusion d'une substance à la normale pression atmosphérique appelé point de fusion.

Lorsqu’un solide fond, la distance entre les particules qui se forment augmente. réseau cristallin, et le réseau lui-même est détruit. Pour la grande majorité des substances, le volume augmente lors de la fusion et diminue lors de la solidification.

Région dans laquelle une substance est homogène sous tous ses aspects physiques et propriétés chimiques, appelé phaseétat de cette substance. Les phases liquide et solide d'une substance à la même température peuvent rester en équilibre indéfiniment pendant longtemps(glace et eau à 0 0 C). Par conséquent, jusqu'à ce que la substance entière fonde, sa température reste inchangée., égal au point de fusion.

Température de fusion est la quantité de chaleur qui doit être fournie à un corps de masse m situé au point de fusion pour le faire fondre.

Où est la chaleur spécifique de fusion.

1 J/kg.

La figure 34 montre des graphiques des changements de température d'une substance pendant la fusion et la solidification. Le segment (Figure 34a) exprime la quantité de chaleur, reçu une substance lorsqu'elle est chauffée à l'état solide (de à T PL), un segment - lors de la fusion et un segment - lorsqu'il est chauffé à l'état liquide. Le segment (Figure 34b) exprime la quantité de chaleur, donné une substance lorsqu'elle est refroidie à l'état liquide (de à), un segment - pendant la solidification et un segment - lorsqu'il est refroidi à l'état solide.

Figure 34. Graphiques des changements de température d'une substance pendant la fusion et la solidification

De nombreux solides ont une odeur. Cela prouve que les solides peuvent passer à l’état gazeux sans passer par l’état liquide. L'évaporation des solides est appelée sublimation ou sublimation(du latin « sublimer » - exalter). DANS Industrie alimentaire On utilise de la « glace sèche » (CO 2 ), qui possède cette propriété. Le processus inverse est également possible - la croissance de cristaux à partir d'une substance gazeuse (givre sur les fenêtres, prolifération de cavaliers ROM).

Pour chaque substance que vous pouvez fabriquer diagramme d'état aux coordonnées P et T (Figure 35), sur la base desquelles vous pouvez facilement déterminer dans quel état se trouvera cette substance dans certaines conditions extérieures. Chaque point du diagramme correspond à l'état d'équilibre d'une substance, dans lequel elle peut rester aussi longtemps qu'on le souhaite.

Courbe KC – dépendance de la pression de vapeur saturante à la température. Le point K est un point critique.

Courbe CA – dépendance en température de la pression des vapeurs saturantes dans état d'équilibre avec la surface d'un corps solide.

La courbe KC est la ligne d'équilibre entre les phases liquide et gazeuse. La droite BC est la ligne d'équilibre des phases liquide et solide. La courbe AC ​​est la ligne d'équilibre entre les phases solide et gazeuse.

Le point C représente l’équilibre entre les trois phases et est appelé point triple. L'hélium n'a pas de point triple.

Questions de contrôle :

1. Expliquer la dilatation thermique des solides.

2. Qu’est-ce que la fusion et la cristallisation ? Quelle est la chaleur de fusion ?

3. Qu'est-ce que la sublimation d'une substance ?

4. Expliquez le diagramme d’état de la matière.