Dilatation des liquides

Le cours

Dilatation des liquides

I. Mise en évidence de la dilatation des liquides

1. Expérience de base

Matériel : - Ballon en verre - Tube fin transparent - Eau colorée - Bec Bunsen ou réchaud - Support

Protocole : 1. Remplir le ballon d'eau colorée 2. Fixer un tube fin au ballon (le liquide monte dans le tube) 3. Marquer le niveau initial de l'eau dans le tube 4. Chauffer le ballon avec le bec Bunsen 5. Observer le niveau de l'eau dans le tube

Observation : Lorsqu'on chauffe, l'eau monte dans le tube.

Conclusion : Le volume d'eau a augmenté. Les liquides se dilatent quand on les chauffe.

2. Expérience avec une bouteille fermée

Protocole : 1. Remplir complètement une bouteille en plastique d'eau 2. Fermer hermétiquement 3. Placer au soleil pendant plusieurs heures

Observation : La bouteille se déforme, se gonfle

Explication : L'eau se dilate avec la chaleur mais ne peut pas sortir (bouteille fermée). Elle exerce une pression sur les parois qui se déforment.

Danger : Si le récipient est rigide (bouteille en verre), il peut exploser !

II. Définition

La dilatation d'un liquide est l'augmentation de son volume lorsqu'on élève sa température.

Remarque importante : Les liquides n'ont pas de forme propre (ils prennent la forme du récipient). On ne parle donc que de dilatation volumique pour les liquides, pas de dilatation linéaire.

III. Facteurs de la dilatation des liquides

1. Nature du liquide

Tous les liquides ne se dilatent pas de la même façon.

Classement (du plus dilatant au moins dilatant) : 1. Alcool (se dilate beaucoup) 2. Pétrole 3. Huile 4. Eau (se dilate moins) 5. Mercure (liquide métallique, dilate très peu)

Application pratique : - Thermomètres à alcool : très sensibles (alcool dilate beaucoup) - Thermomètres à mercure : moins sensibles mais plus précis

2. Volume initial

Plus le volume initial du liquide est grand, plus la dilatation est importante.

Exemple : - 1 litre d'eau se dilate plus que 100 mL d'eau - Un grand réservoir d'essence se dilate plus qu'un petit bidon

Conséquence : On ne remplit jamais complètement les grands réservoirs (essence, gasoil, eau).

3. Élévation de température

Plus on chauffe, plus la dilatation est importante.

Exemple : - Eau à 30°C : faible dilatation - Eau à 80°C : forte dilatation

IV. Applications de la dilatation des liquides

1. Le thermomètre à liquide

a) Constitution Un thermomètre à liquide est constitué de : - Un réservoir contenant le liquide (alcool ou mercure) - Un tube très fin (capillaire) relié au réservoir - Une échelle graduée en degrés Celsius (°C)

b) Principe de fonctionnement

Mesure de température : 1. On place le thermomètre au contact du corps dont on veut mesurer la température 2. Le liquide dans le réservoir reçoit de la chaleur 3. Le liquide se dilate 4. Il monte dans le tube capillaire 5. On lit la température sur l'échelle graduée

Pourquoi un tube fin ? Le tube capillaire est très fin pour que même une petite dilatation produise une grande variation de hauteur. Cela rend le thermomètre plus précis.

c) Types de thermomètres à liquide

Thermomètre à alcool : - Liquide : alcool coloré (rouge) - Avantage : très sensible, dilate beaucoup - Plage de mesure : -80°C à +70°C - Usage : températures basses, météorologie

Thermomètre à mercure : - Liquide : mercure (gris argenté) - Avantage : plus précis, supporte haute température - Plage de mesure : -39°C à +357°C - Usage : température corporelle, laboratoires - Attention : Le mercure est toxique ! (interdit maintenant)

Thermomètre médical : - Utilisé pour mesurer la température du corps - Plage : 35°C à 42°C - Étranglement pour maintenir la température affichée

2. Le vase d'expansion

a) Problème Dans un circuit de refroidissement (voiture, climatiseur), le liquide se dilate en chauffant. Il faut un espace pour accueillir cette dilatation.

b) Solution : le vase d'expansion C'est un réservoir supplémentaire relié au circuit principal qui permet de recueillir le surplus de liquide dilaté.

c) Fonctionnement dans une voiture

À froid (moteur arrêté) : - Le liquide de refroidissement occupe le radiateur - Le vase d'expansion est peu rempli

À chaud (moteur en marche) : - Le liquide de refroidissement chauffe et se dilate - Le surplus va dans le vase d'expansion - Cela évite la surpression dans le radiateur

Au refroidissement (après arrêt) : - Le liquide se contracte - Il revient du vase d'expansion vers le radiateur

d) Importance du vase d'expansion - Évite l'explosion du radiateur par surpression - Compense les variations de volume - Permet de contrôler le niveau de liquide - Assure la sécurité du système

3. Remplissage des bouteilles de boisson

Pourquoi les bouteilles ne sont jamais remplies à ras bord ?

Raison 1 : Dilatation pendant le transport - Les bouteilles sont transportées dans des camions - Il peut faire très chaud (soleil, température élevée) - Le liquide se dilate - S'il n'y a pas d'espace libre, la bouteille peut exploser

Raison 2 : Gazéification Pour les boissons gazeuses (Coca-Cola, Fanta, etc.) : - Le gaz (CO₂) occupe l'espace au-dessus du liquide - Si la bouteille est trop pleine, pas d'espace pour le gaz - Risque d'explosion à l'ouverture

Espace laissé : Généralement 5% du volume de la bouteille

4. Réservoirs d'essence et de gasoil

Dans les stations-service : - Les cuves souterraines ne sont jamais remplies à 100% - On laisse 10% d'espace libre - Permet la dilatation de l'essence aux heures chaudes - Évite les fuites et les accidents

Dans les voitures : - Le réservoir d'essence a un vase d'expansion - Le bouchon n'est pas hermétique (permet l'air de sortir) - On ne remplit jamais complètement le réservoir

V. Comparaison avec la dilatation des solides

Similitudes

• Augmentation de dimensions/volume avec la température
• Dépend de la nature du corps
• Dépend de l'élévation de température
• Contraction en refroidissant

Différences

Ordre de grandeur : Pour une même élévation de température, un liquide se dilate environ 10 fois plus qu'un solide.

VI. Cas particulier de l'eau

Anomalie de l'eau

L'eau a un comportement particulier : - De 0°C à 4°C : l'eau se contracte en chauffant (phénomène inverse !) - À partir de 4°C : l'eau se dilate normalement en chauffant

Conséquence importante : C'est pourquoi la glace flotte sur l'eau (elle est moins dense).

Application en Afrique : Ce phénomène est moins pertinent en Côte d'Ivoire car les températures restent au-dessus de 4°C toute l'année.

VII. Dangers et précautions

1. Dangers

• Explosion de récipients fermés chauffés
• Débordement de liquides chauds
• Brûlures par projection de liquide
• Surpression dans les circuits fermés

2. Précautions

• Ne jamais remplir complètement un récipient de liquide qu'on va chauffer
• Ne jamais chauffer un récipient hermétiquement fermé
• Laisser un espace libre (10% du volume)
• Utiliser des vases d'expansion dans les circuits fermés
• Ne pas exposer les bouteilles fermées au soleil