On sait que sous l'influence de la chaleur les particules accélèrent leur mouvement chaotique. Si vous chauffez un gaz, les molécules qui le composent se disperseront simplement les unes des autres. Le liquide chauffé augmentera d'abord de volume, puis commencera à s'évaporer. Qu'adviendra-t-il des solides ? Tous ne peuvent pas changer leur état d'agrégation.
Définition de la dilatation thermique
La dilatation thermique est un changement de la taille et de la forme des corps avec un changement de température. Mathématiquement, il est possible de calculer le coefficient de dilatation volumétrique, ce qui permet de prédire le comportement des gaz et des liquides dans des conditions extérieures changeantes. Pour obtenir les mêmes résultats pour les solides, le coefficient de dilatation linéaire doit être pris en compte. Les physiciens ont choisi toute une section pour ce type de recherche et l'ont appelée dilatométrie.
Les ingénieurs et les architectes ont besoin de connaissances sur le comportement des différents matériaux sous l'influence des températures élevées et basses pour la conception de bâtiments, la pose de routes et de canalisations.
Détente du gaz
Thermiquel'expansion des gaz s'accompagne de l'expansion de leur volume dans l'espace. Cela a été remarqué par les philosophes de la nature dans les temps anciens, mais seuls les physiciens modernes ont réussi à construire des calculs mathématiques.
Tout d'abord, les scientifiques se sont intéressés à l'expansion de l'air, car cela leur semblait une tâche faisable. Ils se sont mis au travail avec tant de zèle qu'ils ont obtenu des résultats plutôt contradictoires. Naturellement, la communauté scientifique n'était pas satisfaite d'un tel résultat. La précision de la mesure dépendait du thermomètre utilisé, de la pression et de diverses autres conditions. Certains physiciens sont même arrivés à la conclusion que la dilatation des gaz ne dépend pas des changements de température. Ou cette dépendance est-elle incomplète…
Œuvres de D alton et Gay-Lussac
Les physiciens continueraient à se disputer jusqu'à ce qu'ils soient enroués ou auraient abandonné les mesures sans John D alton. Lui et un autre physicien, Gay-Lussac, ont pu obtenir indépendamment les mêmes résultats de mesure au même moment.
Lussac a essayé de trouver la raison de tant de résultats différents et a remarqué que certains des appareils au moment de l'expérience avaient de l'eau. Naturellement, au cours du processus de chauffage, il s'est transformé en vapeur et a modifié la quantité et la composition des gaz étudiés. Par conséquent, la première chose que le scientifique a faite a été de bien sécher tous les instruments qu'il a utilisés pour mener l'expérience et d'exclure même le pourcentage minimum d'humidité du gaz à l'étude. Après toutes ces manipulations, les premières expériences se sont avérées plus fiables.
D alton a traité ce problème plus longtempsson collègue et en publie les résultats au tout début du XIXe siècle. Il a séché l'air avec de la vapeur d'acide sulfurique, puis l'a chauffé. Après une série d'expériences, John est arrivé à la conclusion que tous les gaz et la vapeur se dilataient d'un facteur de 0,376. Lussac a obtenu le nombre 0,375. C'est devenu le résultat officiel de l'étude.
Élasticité de la vapeur d'eau
La dilatation thermique des gaz dépend de leur élasticité, c'est-à-dire de leur capacité à retrouver leur volume d'origine. Ziegler a été le premier à enquêter sur cette question au milieu du XVIIIe siècle. Mais les résultats de ses expériences variaient trop. Des chiffres plus fiables ont été obtenus par James Watt, qui a utilisé un chaudron pour les hautes températures et un baromètre pour les basses températures.
À la fin du XVIIIe siècle, le physicien français Prony a tenté de dériver une formule unique décrivant l'élasticité des gaz, mais elle s'est avérée trop lourde et difficile à utiliser. D alton a décidé de tester tous les calculs de manière empirique, en utilisant pour cela un baromètre à siphon. Malgré le fait que la température n'était pas la même dans toutes les expériences, les résultats étaient très précis. Il les a donc publiés sous forme de tableau dans son manuel de physique.
Théorie de l'évaporation
La dilatation thermique des gaz (en tant que théorie physique) a subi divers changements. Les scientifiques ont essayé d'aller au fond des processus par lesquels la vapeur est produite. Là encore, le célèbre physicien D alton s'est distingué. Il a émis l'hypothèse que tout espace est saturé de vapeur de gaz, qu'il soit présent ou non dans ce réservoir(pièce) tout autre gaz ou vapeur. Par conséquent, on peut en conclure que le liquide ne s'évapore pas simplement en entrant en contact avec l'air atmosphérique.
La pression de la colonne d'air à la surface du liquide augmente l'espace entre les atomes, les déchirant et s'évaporant, c'est-à-dire qu'elle contribue à la formation de vapeur. Mais la gravité continue d'agir sur les molécules de vapeur. Les scientifiques ont donc calculé que la pression atmosphérique n'avait aucun effet sur l'évaporation des liquides.
Expansion des fluides
La dilatation thermique des liquides a été étudiée parallèlement à la dilatation des gaz. Les mêmes scientifiques étaient engagés dans la recherche scientifique. Pour ce faire, ils ont utilisé des thermomètres, des aéromètres, des vases communicants et d'autres instruments.
Toutes les expériences ensemble et chacune séparément ont réfuté la théorie de D alton selon laquelle les liquides homogènes se dilatent proportionnellement au carré de la température à laquelle ils sont chauffés. Bien sûr, plus la température était élevée, plus le volume du liquide était important, mais il n'y avait pas de relation directe entre cela. Oui, et le taux d'expansion de tous les liquides était différent.
La dilatation thermique de l'eau, par exemple, commence à zéro degré Celsius et se poursuit lorsque la température baisse. Auparavant, de tels résultats d'expériences étaient associés au fait que ce n'est pas l'eau elle-même qui se dilate, mais le récipient dans lequel elle se trouve se rétrécit. Mais quelque temps plus tard, le physicien Deluca arriva néanmoins à la conclusion que la cause devait être recherchée dans le liquide lui-même. Il a décidé de trouver la température de sa plus grande densité. Cependant, il n'a pas réussi en raison de la négligencequelques détails. Rumforth, qui a étudié ce phénomène, a constaté que la densité maximale de l'eau est observée dans la plage de 4 à 5 degrés Celsius.
Dilatation thermique des corps
Dans les solides, le principal mécanisme d'expansion est une modification de l'amplitude des vibrations du réseau cristallin. En termes simples, les atomes qui composent le matériau et sont rigidement liés les uns aux autres commencent à « trembler ».
La loi de dilatation thermique des corps est formulée comme suit: tout corps de taille linéaire L en cours de chauffage de dT (delta T est la différence entre la température initiale et la température finale), se dilate de dL (delta L est la dérivée du coefficient de dilatation thermique linéaire par la longueur de l'objet et la différence de température). Il s'agit de la version la plus simple de cette loi qui, par défaut, tient compte du fait que le corps se dilate dans toutes les directions à la fois. Mais pour les travaux pratiques, des calculs beaucoup plus lourds sont utilisés, car dans la réalité les matériaux se comportent différemment de ceux modélisés par les physiciens et les mathématiciens.
Dilatation thermique du rail
Les ingénieurs physiciens sont toujours impliqués dans la pose de la voie ferrée, car ils peuvent calculer avec précision la distance qui doit exister entre les joints de rail afin que les voies ne se déforment pas lorsqu'elles sont chauffées ou refroidies.
Comme mentionné ci-dessus, la dilatation linéaire thermique est applicable à tous les solides. Et le rail ne fait pas exception. Mais il y a un détail. Changement linéairese produit librement si le corps n'est pas affecté par la force de frottement. Les rails sont fixés rigidement aux traverses et soudés aux rails adjacents, de sorte que la loi qui décrit le changement de longueur prend en compte le franchissement d'obstacles sous forme de résistances linéaires et bout à bout.
Si un rail ne peut pas changer de longueur, alors avec un changement de température, la contrainte thermique y augmente, ce qui peut à la fois l'étirer et le comprimer. Ce phénomène est décrit par la loi de Hooke.
