[Test de physique 24] Forces d'interaction intermoléculaire. État global de la matière. La nature du mouvement thermique des molécules dans les corps solides, liquides et gazeux et son évolution avec l'augmentation de la température. Expansion thermique des corps. Expansion linéaire des solides lorsqu'ils sont chauffés. Expansion thermique volumétrique des solides et des liquides. Transitions entre les états d'agrégation. Chaleur de transition de phase. Equilibre des phases. Équation du bilan thermique.
Forces d'interaction intermoléculaire.
L'interaction intermoléculaire est de nature électrique. Entre euxil existe des forces d'attraction et de répulsion, qui diminuent rapidement à mesure que l'on augmentedistances entre les molécules.Les forces répulsives agissentseulement sur de très courtes distances.Comportement pratique de la matière etson état physiquedéterminé par ce qui estdominant : forces d'attractionou un mouvement thermique chaotique.Les forces dominent dans les solidesinteractions, donc ilsconserve sa forme.
État global de la matière.
- la capacité (solide) ou l'incapacité (liquide, gaz, plasma) à conserver le volume et la forme,
- la présence ou l'absence d'ordre à longue portée (solide) et à courte portée (liquide) et d'autres propriétés.
Le mouvement thermique dans les solides est principalement vibratoire. En haut
températures, un mouvement thermique intense empêche les molécules de se rapprocher les unes des autres - gazeux
Dans cet état, le mouvement des molécules est translationnel et rotationnel. . Dans les gaz à moins de 1 % du volume
représente le volume des molécules elles-mêmes. À valeurs intermédiaires températures
les molécules se déplaceront continuellement dans l'espace, échangeant cependant leurs places
la distance entre eux n’est pas beaucoup plus grande que d – liquide. La nature du mouvement des molécules
dans un liquide est de nature oscillatoire et translationnelle (au moment où ils
sauter vers une nouvelle position d’équilibre).
Dilatation thermique tél.
Le mouvement thermique des molécules explique le phénomène de dilatation thermique des corps. À
En chauffant, l'amplitude du mouvement vibratoire des molécules augmente, ce qui conduit à
augmentation de la taille du corps.
Expansion linéaire des solides lorsqu'ils sont chauffés.
L'expansion linéaire d'un corps solide est décrite par la formule : L=L0(1+at), où a est le coefficient d'expansion linéaire ~10^-5 K^-1.
Expansion thermique volumétrique des solides et des liquides.
L'expansion volumétrique des corps est décrite par une formule similaire : V = V0(1+Bt), B est le coefficient d'expansion volumétrique et B = 3a.
Transitions entre les états d'agrégation.
Une substance peut être à l’état solide, liquide ou gazeux. Ces
les états sont appelés états globaux de la matière. La substance peut passer de
d'un état à un autre. Un trait caractéristique de la transformation de la matière est
la possibilité de l'existence de systèmes inhomogènes stables lorsqu'une substance peut
est dans plusieurs états d’agrégation à la fois. Lors de la description de tels systèmes
utiliser un concept plus large de phase de la matière. Par exemple, le carbone dans le solide
L'état d'agrégation peut être en deux phases différentes : le diamant et le graphite. Phase
appelé la totalité de toutes les parties du système, qui en l'absence de facteurs externes
l’impact est physiquement homogène. Si plusieurs phases d'une substance à un moment donné
la température et la pression existent en contact les unes avec les autres, et en même temps la masse de l'une
la phase n'augmente pas en raison d'une diminution d'une autre, alors on parle d'équilibre de phase.
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 ils nécessitent plus de vibrations. 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 d'une augmentation de la vitesse de mouvement thermique des molécules libres ( cm. Loi de Boyle-Marriott, loi de Charles, équation d'état d'un gaz parfait).
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. Lors de la conception d'un pont en acier traversant une rivière dans une ville au climat continental, il est impossible de ne pas prendre en compte les possibles changements 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 un long pont, il peut y avoir un certain nombre de ces tampons.
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 prend une valeur négative). 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.
Le fait que la glace ait une densité spécifique inférieure à la densité de l'eau est une autre propriété anormale (bien que sans rapport avec 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.
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La dilatation thermique d'un solide est associée à l'anharmonicité des vibrations thermiques (p.
La dilatation thermique des solides est très faible, mais elle peut néanmoins être utilisée pour mesurer des températures, à condition, comme dans le cas des liquides, de prendre soin de rendre cette dilatation facilement observable.
La dilatation thermique des solides est caractérisée par des coefficients de dilatation linéaire a et des coefficients de dilatation volumétrique p. Il existe une relation mathématique entre les valeurs de ces coefficients. Par conséquent, seul le coefficient de dilatation linéaire a est généralement donné pour le matériau. Il est numériquement égal à l'allongement de la tige après l'avoir chauffée de 1 C, qui à 0 C a une longueur égale à un.
La dilatation thermique des solides est associée à l'anharmonicité des vibrations atomiques. Dans un état structurel liquide, en plus des degrés de liberté vibrationnels, il existe d'autres types de mobilité moléculaire, conduisant à un changement continu de la structure (par exemple, un ordre à courte portée) et à la formation d'un volume libre de fluctuation. Par conséquent, la dilatation thermique à l’état liquide est plus importante qu’à l’état solide, ce qui est bien illustré dans les polymères lors de leur transition d’un état vitreux à un état hautement élastique.
La raison de la dilatation thermique d'un solide est l'anharmonicité des vibrations atomiques provoquée par l'asymétrie du champ potentiel des forces attractives et répulsives.
La dilatation thermique des solides s'entend comme une modification de leurs dimensions linéaires lorsqu'ils sont chauffés. Il faut tenir compte du fait que lors du traitement d'une pièce sur une machine lors de l'enlèvement des copeaux, un grand nombre de chaleur, partiellement utilisée pour chauffer l'objet en cours de traitement. Par conséquent, les dimensions de la pièce traitée ayant température élevée, diffèrent sensiblement des dimensions de la pièce refroidie.
Qu'est-ce qui explique la dilatation thermique des solides ?
Les capteurs utilisant des bimétalliques reposent également sur le principe de dilatation thermique des solides. Une plaque bimétallique (voir Tableau VII, 1) est constituée de deux couches de métaux avec des coefficients de dilatation linéaire différents (ax et a3), soudées ensemble.
Les capteurs utilisant des bimétalliques reposent également sur le principe de dilatation thermique des solides. Une plaque bimétallique est constituée de deux couches de métaux avec des coefficients de dilatation linéaire différents (a et a2), soudées ensemble.
Une analyse de la dilatation thermique des solides et des méthodes de calcul du coefficient de dilatation thermique ont été réalisées. Il a été démontré que pour décrire les changements du coefficient sur une large plage de température, il est nécessaire de prendre en compte trois plages de température d'évolution en a. La formule peut être utilisée pour des calculs théoriques et semi-empiriques.
Leur action repose sur la dilatation thermique des solides. L'élément dilatométrique le plus simple (Fig. 37, a) est constitué de deux tiges : une interne / longueur / i et une externe 2 longue / 2, en forme de tube. Le coefficient de dilatation linéaire de l'un d'eux (généralement celui externe) est 10 à 20 fois supérieur à celui de l'autre. Une tige active (à coefficient de dilatation élevé) est constituée de cuivre, d'aluminium, de laiton, d'acier, de nickel, etc. Pour réaliser une tige passive, on utilise généralement de l'invar (64% Fe 36% Ni) ou de la céramique.
Leur action repose sur la dilatation thermique des solides. L'élément dilatométrique le plus simple (Fig. 60, a) est constitué de deux tiges : une interne 1 longue/1 et une externe 2 longue/2, en forme de tube. Le coefficient de dilatation linéaire de l'un d'eux (généralement celui externe) est 10 à 20 fois supérieur (élément actif) à celui de l'autre. Il est composé de cuivre, d'aluminium, de laiton, d'acier, de nickel, etc. Pour la tige passive, on utilise généralement de l'invar (64 % Fe 36 % Ni) ou de la céramique.
Une dilatation thermique apparemment insignifiante des solides peut avoir de graves conséquences. Le fait est qu'il n'est pas facile d'interférer avec la dilatation thermique des solides en raison de leur faible compressibilité.
Il s'ensuit que la cause de la dilatation thermique des solides est l'anharmonicité des vibrations atomiques dans le réseau cristallin.
Comme on le sait, le coefficient volumétrique de dilatation thermique d'un solide est égal au triple du coefficient linéaire de dilatation thermique.
Cette propriété est caractéristique de toutes les substances. Lorsqu'une substance se réchauffe, ses particules commencent à se déplacer intensément, ce qui entraîne une augmentation des distances moyennes qui les séparent.
La plupart des corps augmentent de volume en raison de l’augmentation de la température, à quelques exceptions près. L’exemple le plus célèbre d’écart à la règle est celui de l’eau, qui va de 0 ? C à 4 ? C diminue son volume avec l'augmentation de la température ou du silicium pur à des températures comprises entre -255 ? C et -153 ? C.
La section de métrologie qui étudie les propriétés et les méthodes de mesure de la dilatation thermique est appelée dilatométrie, et le dispositif permettant de déterminer les paramètres de dilatation thermique est un dilatomètre.
Le degré de dilatation d'une substance lié à un changement de température est appelé coefficient de dilatation thermique, qui dépend généralement de la température.
1. Coefficient de dilatation thermique volumétrique (cas général)
Dans le cas général d'un gaz, liquide ou solide, le coefficient de dilatation thermique volumétrique a la forme
Indice p signifie que la pression reste constante pendant la détente, et l'indice V souligne qu’il s’agit d’une expansion volumétrique (et non linéaire). Dans le cas du gaz, le fait d'une pression constante est important, car le volume d'un gaz dépend de manière significative de la pression ainsi que de la température. Pour les gaz de faible densité, cette dépendance est décrite par l’équation d’état des gaz parfaits.
2. Expansion thermique des solides
2.1. Dilatation thermique linéaire
Le coefficient de dilatation thermique linéaire est défini comme le rapport entre la variation des dimensions linéaires du matériau et la variation de température. Il s’agit donc du changement relatif de longueur du changement de degré de température. En négligeant la pression, on peut écrire :
où - Dimension linéaire (par exemple, longueur) et - Modification de la dimension linéaire par unité de changement de température.
le changement relatif de taille linéaire, qui peut être considéré comme une déformation relative, peut s'écrire :
Cette équation fonctionne bien tant que le coefficient de dilatation linéaire peut être supposé constant sur une plage de températures. Si le coefficient de dilatation linéaire change, alors les équations doivent être intégrées.
2.2. Dilatation thermique volumétrique
Pour les solides, l'effet de la pression sur le matériau peut être négligé et le coefficient volumétrique de dilatation thermique peut s'écrire
où est le volume du matériau et l'intensité du changement de volume avec le changement de température.
Cela signifie que l’augmentation du volume se produira dans une certaine proportion fixe. Par exemple, un bloc d'acier d'un volume de 1 m ? peut se dilater jusqu'à 1,02 m², avec une augmentation de température de 50 K. Cette dilatation est de 2 %, soit 0,04 % pour chaque K. Si nous connaissons le coefficient de dilatation thermique, nous pouvons calculer le volume d'un corps comme la température changements.
Dans l’exemple présenté ci-dessus, le coefficient de dilatation thermique est supposé indépendant de la température. Pour de faibles changements de température, il s’agit d’une approximation satisfaisante, même si ce n’est pas toujours vrai. Si le coefficient de dilatation volumétrique change de manière significative avec la température, alors les équations doivent être intégrées :
ici - Température initiale et coefficient de dilatation thermique volumétrique en fonction de la température T.
2.3. Le cas des matériaux isotropes
Pour les matériaux isotropes, le coefficient de dilatation thermique linéaire est d'environ un tiers du coefficient de dilatation thermique volumétrique.
2.4. Le cas des matériaux anisotropes
Les matériaux à structure anisotrope, tels que les cristaux ou les composites, ont généralement des coefficients de dilatation linéaire différents dans différentes directions. Par conséquent, sens général l'expansion volumétrique est inégalement répartie entre les trois axes. Dans de tels cas, pour calculer la dilatation thermique, introduisez le tenseur du coefficient de dilatation thermique, qui peut contenir jusqu'à six composantes indépendantes.
3. Expansion thermique des gaz
4. Expansion thermique des liquides
Puisque les liquides n'ont pas leur propre dimensions hors tout, par conséquent, la dilatation thermique des liquides est considérée en termes volumétriques :
- Volume de liquide après changement de température, - Volume de liquide initial, -DILATATION THERMIQUE
DILATATION THERMIQUE
Modifications de la taille du corps pendant le processus de chauffage. Quantitativement T. r. à pression constante p est caractérisé par un coefficient isobare. expansion (coefficient de volume T. p.) a=1/VX(dV/dT)p, où V est le volume du corps (solide, liquide ou gazeux), T est son absolu. temp. En pratique, la valeur de a est déterminée par la formule suivante :
une=(V"-V)/V((T2-T1),
où V et V" sont les volumes du corps aux températures T1 et T2, respectivement (T2 est supérieur à T1). Pour caractériser le T. r. des corps solides, avec a, le coefficient de T. r. linéaire est introduit.
al=1/l (dl/dT)p,
où l est la longueur initiale du corps le long de la direction sélectionnée. Dans le cas général des corps anisotropes a=ax+ay+az, et la différence ou l'égalité du coefficient linéaire. T.r. aх, aу, az le long de la cristallographie les axes x, y, z sont déterminés par la symétrie du cristal. Par exemple, pour les cristaux cubiques. systèmes, ainsi que pour les corps isotropes, aх=ay=az=al et a»3al.
Pour la plupart des corps, un T.r. gaz en raison d’une augmentation de la cinétique. énergie h-ts gaz lorsqu'il est chauffé et, grâce à cette énergie, effectue un travail contre l'extérieur pression. A la télé corps et liquides T. r. est associé à l'asymétrie (anharmonicité) des vibrations thermiques des atomes, en raison de laquelle les distances interatomiques augmentent avec l'augmentation de T (voir VIBRATIONS DU RÉSEAU CRISTALLIN). Expérimentons. la détermination de a et al est réalisée par des méthodes de dilatométrie. T.r. les organismes sont pris en compte lors de la conception de toutes les installations, instruments et machines fonctionnant dans des conditions de température variables.
Dictionnaire encyclopédique physique. - M. : Encyclopédie soviétique. . 1983 .
DILATATION THERMIQUE
Changer de taille. corps lorsqu’ils sont chauffés. T.r. au poste. pression p est caractérisé quantitativement par le coefficient isobare. expansion (coefficient T. p. de volume) a =V -1 (dV/dT) p , Où V- · volume d'un corps (solide, liquide ou gazeux). En pratique, la valeur de a est déterminée par le f-loy
Où V" Et V- volume corporel à temp-pax T" Et T respectivement ( T"> T). Pour solides, avec a, introduire un coefficient. tr linéaire.
Où je-début longueur du corps dans la direction sélectionnée. Dans le cas général des corps anisotropes a = a X+ un oui+a z , et la différence ou l'égalité du coefficient linéaire. T.r. un X, un oui, un z le long de la cristallographie axes X, oui, z déterminé par la symétrie du cristal. Par exemple, pour les cristaux cubiques structure, la même que pour les corps isotropes, un X = une y = une z= a l et a=3a l.
Pour la plupart des corps, a>0, mais il existe des exceptions. Par exemple, l’eau chauffée de 0 à 4 °C atm. compresses sous pression (un<0). Зависимость a от T maximum. perceptible dans les gaz (par gaz parfait une = 1/ T), dans les liquides, elle est moins prononcée. Certains solides (quartz, invar, etc.) possèdent un coefficient. a est petit et pratiquement constant sur une large plage T. Au coefficient
T.r. gaz en raison d’une augmentation de la cinétique. l'énergie des particules de gaz lorsqu'elles sont chauffées et, grâce à cette énergie, un travail est effectué contre des forces extérieures. pression. Dans les solides et les liquides, T. r. associé à l'asymétrie (angramonicisme) des vibrations thermiques des atomes, en raison de laquelle les distances interatomiques augmentent T augmenter (voir Vibrations du réseau cristallin). Expérimentons. définition un et a l est réalisé par des méthodes de dilatométrie. T.r. les organismes sont pris en compte lors de la conception des instruments, machines et installations fonctionnant dans des conditions de température variables.
Lit. : Hirschfelder J., Curtiss Ch., Bird R., Théorie moléculaire des gaz et des liquides, trans. de l'anglais, M., 1961 ; Novikova S.I., Expansion thermique des solides, M., 1974.
Encyclopédie physique. En 5 tomes. - M. : Encyclopédie soviétique. Rédacteur en chef A. M. Prokhorov. 1988 .
Voyez ce qu'est « DILATATION THERMIQUE » dans d'autres dictionnaires :
La dilatation thermique est une modification des dimensions linéaires et de la forme d'un corps lorsque sa température change. Quantitativement, la dilatation thermique des liquides et des gaz à pression constante est caractérisée par un coefficient de dilatation isobare (volume... ... Wikipédia
DILATATION THERMIQUE, changement dans la taille et la forme d'un corps lorsque sa température change. Il est caractérisé par les coefficients de dilatation thermique volumétrique (pour les solides et linéaire), c'est-à-dire modification du volume (dimensions linéaires) du corps lorsqu'il change... ... Encyclopédie moderne
Changement de taille du corps lorsqu'il est chauffé ; caractérisé par le coefficient de dilatation volumétrique, et pour les solides et le coefficient de dilatation linéaire, où l est le changement de taille linéaire, ?V volume du corps, ?T température, l'indice indique... ... Grand dictionnaire encyclopédique
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