Note scientifique

Coefficient de dilatation thermique

Approfondissement : origines de la dilatation thermique.

Manipuler la dilatation thermique.

Définition et mesure. La plupart des matériaux se dilatent lorsqu'on les chauffe. On mesure la déformation thermique par degré de changement de température par le coefficient d'expansion ou de dilatation thermique linéaire, (unités: K^-1 ou, de manière plus pratique, comme "micro-déformation /°C" ou 10^-6 C^-1). Il est défini par

où L est une dimension linéaire de l'échantillon. On le mesure de la manière indiquée dans l'illustration 1: en mesurant le changement de dimensions d'un échantillon de test avec le changement de température. Si le matériau est thermiquement isotrope, la dilatation du volume par degré est . Si le matériau est anisotrope, deux ou plus de coefficients sont nécessaires et la dilatation du volume devient la somme des principales déformations thermiques.

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Approfondissement : origines de la dilatation thermique. Si un solide se dilate lorsqu'on le chauffe (et presque tous le font), ce doit être parce que les atomes s'écartent plus l'un de l'autre. L'illustration 2 montre comment cela se passe. La courbe force-distance n'est pas vraiment droite; les liaisons deviennent plus rigides lorsque les atomes sont poussés l'un vers l'autre et moins rigides lorsqu'ils sont éloignés. Les atomes vibrent d'une manière décrite dans Chaleur spécifique, c'est à dire qu'ils oscillent autour d'une distance moyenne qui augmente avec l'amplitude de l'oscillation et donc avec des températures plus élevées. De ce fait, la dilatation thermique est un effet non-linéaire; si les liaisons entre les atomes étaient des ressorts linéaires, il n'y aurait pas de dilatation (voir Module de Young pour plus d'informations sur les liaisons).

Plus les ressorts seront rigides, plus la courbe force-déplacement sera accentuée et plus étroit sera le puits d'énergie dans lequel les atomes restent et moins il y aura de possibilités de dilatation. Donc les matériaux avec un module élevé (ressorts rigides) ont un coefficient de dilatation faible, ceux avec un module bas (ressorts mous) ont un coefficient de dilatation élevé. C'est un fait expérimental que tous les solides se dilatent d'un peu près la même valeur lorsqu'on les chauffe du zéro absolu jusqu'à leur point de fusion : un peu près 2%. Le coefficient de dilatation est l'expansion par degré, ce qui signifie que

L'acier, avec un point de fusion d'environ 1500°C a un , alors que le polyéthylène, avec un point de fusion d'environ 150°C se dilate dix fois plus ().

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Manipuler la dilatation thermique. La dilatation, comme on l'a déjà mentionné peut engendrer des contraintes thermiques et provoquer des distorsions qui ne sont pas souhaitables dans des mécanismes et des instruments précis. Quelques rares matériaux ont une dilatation exceptionnellement faible : le verre de borosilicate (Pyrex), la silice et les fibres de carbone par exemple, mais ils sont durs à utiliser dans des structures d'ingénierie. Ceci a conduit au développement d'alliages spéciaux appelés Invars avec une dilatation très basse. Ils peuvent présenter cette caractéristique par l'astuce qui consiste à contre-balancer la dilatation thermique (qui en fait se produit) par une constriction provoquée par la perte graduelle du magnétisme lorsque l'on chauffe le matériau.

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*Pour en savoir plus.*
Auteur	Titre	Chapitre
Baïlon & Dorlot	Des matériaux	9
Ashby et coll.	Materials: Engineering, Science, Processing and Design	12, 13
Askeland & Wright	The Science and Engineering of Materials	22
Budinski	Engineering Materials: Properties and Selection	2
Callister & Rethwisch	Materials Science and Engineering: An Introduction	19
Callister & Rethwisch	Fundamentals of Materials Science and Engineering: An Integrated Approach	17
Shackelford	Introduction to Materials Science for Engineers	7

Autres références

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