Dilatation des solides

Le cours

Dilatation des solides

I. Mise en évidence de la dilatation

1. Expérience avec une tige métallique

Matériel : Tige métallique, support, bec Bunsen, indicateur

Protocole : 1. Fixer la tige métallique horizontalement 2. Placer un indicateur (aiguille) au bout de la tige 3. Chauffer la tige avec le bec Bunsen 4. Observer le déplacement de l'indicateur

Observation : L'indicateur se déplace → la tige s'allonge

Conclusion : Lorsqu'on chauffe un solide, il s'allonge. C'est la dilatation linéaire.

2. Expérience avec une bille métallique

Matériel : Bille métallique, anneau calibré, bec Bunsen

Protocole : 1. Vérifier que la bille passe dans l'anneau à froid 2. Chauffer la bille 3. Essayer de la faire passer dans l'anneau

Observation : La bille chaude ne passe plus dans l'anneau

Conclusion : Le volume de la bille a augmenté. C'est la dilatation volumique.

II. Définition de la dilatation

La dilatation d'un solide est l'augmentation de ses dimensions (longueur, surface, volume) sous l'effet d'une élévation de température.

Types de dilatation

1. Dilatation linéaire Augmentation de la longueur d'un solide. Exemple : rails de chemin de fer, fils électriques

2. Dilatation surfacique Augmentation de la surface d'un solide. Exemple : plaque métallique chauffée

3. Dilatation volumique Augmentation du volume d'un solide. Exemple : bille métallique chauffée

III. Facteurs de la dilatation

La dilatation d'un solide dépend de trois facteurs principaux :

1. Nature du corps

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

Classement (du plus dilatant au moins dilatant) : - Zinc - Aluminium - Cuivre - Fer - Verre

Application : On choisit le matériau selon l'utilisation - Ponts : acier (dilate peu) - Bilames : métaux à dilatations différentes

2. Longueur ou volume initial

Plus le solide est long (ou gros) initialement, plus sa dilatation est importante.

Exemple : - Un rail de 10 m se dilate plus qu'un rail de 5 m - Une grosse bille se dilate plus qu'une petite bille

3. Élévation de température

Plus on chauffe, plus la dilatation est importante.

Exemple : - Chauffer à 50°C → faible dilatation - Chauffer à 200°C → forte dilatation

IV. Applications de la dilatation

1. Le bilame et le thermostat

a) Qu'est-ce qu'un bilame ? C'est un dispositif formé de deux lames de métaux différents (par exemple cuivre et fer) soudées ensemble.

b) Fonctionnement - À froid : le bilame est droit - Chauffé : les deux métaux se dilatent différemment - Le métal qui se dilate le plus (cuivre) s'allonge plus - Le bilame se courbe vers le métal qui se dilate le moins (fer)

c) Application : le thermostat Un thermostat utilise un bilame pour réguler la température : - Quand il fait chaud : le bilame se courbe et coupe le circuit - Quand il fait froid : le bilame se redresse et ferme le circuit

Utilisations : - Fer à repasser - Réfrigérateur - Climatiseur - Chauffe-eau

2. Les joints de dilatation

a) Problème Les grandes structures (ponts, rails, bâtiments) se dilatent sous l'effet de la chaleur. Si elles sont continues, elles peuvent se déformer ou se fissurer.

b) Solution : les joints de dilatation Ce sont des espaces vides laissés entre deux portions d'une structure pour permettre la dilatation.

c) Exemples en Côte d'Ivoire

Rails de chemin de fer : - Espace de quelques millimètres entre les rails - Évite la déformation des rails par forte chaleur - Produit le "tac-tac" caractéristique des trains

Ponts : - Le pont Henri Konan Bédié à Abidjan possède des joints - Permettent au tablier de se dilater sans dommage

Trottoirs et routes : - Espaces entre les dalles de trottoir - Évitent les fissures par dilatation

Bâtiments : - Joints entre différentes parties - Surtout dans les grands immeubles

3. L'emmanchement forcé

a) Principe On utilise la dilatation pour assembler deux pièces métalliques de façon très solide.

b) Méthode

Étape 1 : On a une tige métallique et un anneau métallique - À froid : la tige est trop grosse pour l'anneau

Étape 2 : On chauffe l'anneau - L'anneau se dilate → son trou s'agrandit

Étape 3 : On enfonce la tige dans l'anneau chaud - La tige passe facilement

Étape 4 : On laisse refroidir - L'anneau se contracte en refroidissant - Il serre très fort la tige - Assemblage très solide

c) Applications

Roues de charrettes traditionnelles : - Cerclage en fer chauffé placé sur la roue en bois - En refroidissant, le cercle serre solidement

Essieux de véhicules : - Assemblage de l'essieu et de la roue - Très solide, supporte de lourdes charges

Tuyauterie industrielle : - Raccords de tuyaux par emmanchement - Étanchéité parfaite

V. Effets de la dilatation dans la vie quotidienne

1. Effets gênants

Portes et fenêtres métalliques : - Se bloquent en période de chaleur - Difficiles à fermer ou ouvrir - Solution : laisser un peu de jeu lors de l'installation

Fils électriques : - Se dilatent en été, s'allongent et pendent - Se contractent en saison fraîche, se tendent - Risque de rupture si trop tendus

Couvercle de bocal : - Difficile à ouvrir parfois - Solution : passer sous l'eau chaude pour dilater le couvercle

2. Effets utiles

Retrait des glaçons : - Passer le bac sous l'eau chaude - Le plastique se dilate légèrement - Les glaçons se détachent

Déblocage d'écrous : - Chauffer un écrou bloqué - Il se dilate et se desserre

VI. Contraction (phénomène inverse)

Lorsqu'on refroidit un solide, il se contracte (diminue de dimensions). C'est le phénomène inverse de la dilatation.

Exemple : - Rails qui se contractent la nuit - Fils électriques qui se tendent en saison fraîche - Matériaux qui retrouvent leurs dimensions initiales en refroidissant