Expansão térmica

A expansão térmica é o volume constante da pressão de expansão de um corpo causado pelo seu aquecimento, geralmente imperceptível. No caso de um gás , ocorre expansão com pressão constante ou manutenção do volume e aumento da pressão com o aumento da temperatura . Em contraste com a expansão, o resfriamento causa contração térmica.

Origem da expansão térmica

Em um sólido , os átomos têm energia térmica e vibram em torno de sua posição média. Essa vibração depende da temperatura, mas também da vizinhança dos átomos, mais precisamente do potencial interatômico criado pelos átomos circundantes.

Em baixa temperatura, os potenciais interatômicos podem ser descritos harmonicamente  : para temperaturas próximas a T = 0 K, os átomos permanecem centrados em sua posição média r 0 . Já não é o caso das altas temperaturas: a anarmonicidade dos potenciais interatômicos introduz uma dependência da posição média dos átomos com a temperatura, o que provoca o fenômeno da expansão térmica.

Quando um gás é submetido ao aquecimento, o momentum das partículas que o compõem aumenta. Em volume constante, isso resulta em um aumento na pressão, conforme o número de impactos entre as partículas por unidade de área aumenta. Para que a pressão permaneça constante, o volume do gás deve aumentar, de acordo com a lei dos gases ideais . Para gases não ideais, as forças de atração entre as partículas do gás podem reduzir a expansão térmica.

A expansão térmica dos líquidos tem, em princípio, as mesmas causas que a dos gases, mas o efeito das forças de atração entre as partículas sobre a expansão é acentuadamente aumentado porque elas estão mais próximas umas das outras.

Definição termodinâmica

A energia interna de um sistema é uma função de estado que depende da pressão , volume e temperatura  :

.

Como essas três variáveis ​​estão relacionadas pela equação de estado do sistema, é possível, por exemplo, expressar uma variação infinitesimal da energia interna de um sistema de acordo com as variações infinitesimais do volume e da temperatura:

.

O primeiro termo da soma contém a mudança na energia interna em função da temperatura em volume constante, a capacidade térmica isocórica . Se a mudança de temperatura ocorre a pressão constante, obtemos:

.

O termo é o coeficiente isobárico de expansão térmica do sistema (coeficiente de expansão de volume), ele descreve a mudança no volume a pressão constante em função da temperatura:

.

Observe que para um gás ideal, temos:

O coeficiente de expansão de volume está relacionado em materiais isotrópicos de uma forma simples ao coeficiente de expansão linear  :

Na verdade, uma variação infinitesimal de comprimento de um cubo nas três direções do espaço leva a uma variação de volume

onde os dois últimos termos são desprezíveis. É assim que conseguimos .

Na prática, os coeficientes de expansão térmica e muitas vezes são expressos como uma função de um valor de referência para uma determinada temperatura  :

e .

Esta fórmula é válida nos casos em que a variação do comprimento depende linearmente da variação da temperatura, mas não para grandes intervalos de temperatura ou se o material sofrer uma transição de fase no intervalo considerado. Em geral, a dependência do coeficiente de expansão térmica do volume com a temperatura é expressa pela relação de Grüneisen

onde está a compressibilidade isotérmica do material, sua capacidade térmica isocórica, sua densidade e o parâmetro de Grüneisen . Como e estão em uma primeira aproximação independente da temperatura, as variações térmicas de compensam as de .

Coeficientes de expansão térmica

Caso isotrópico

Pode-se calcular para todos os materiais isotrópicos a variação do comprimento e, portanto, do volume de acordo com a variação da temperatura:

com :

Nota: como usamos uma variação (uma diferença de temperatura), a diferença original entre Kelvin e graus Celsius é cancelada, a distinção, portanto, não é necessária.

Também podemos calcular diretamente o comprimento em função da temperatura:

com :

Aplicativo

Ou um trilho de aço de 30 m no  inverno a −20  ° C  ; no verão, a temperatura é de 40  ° C . O trilho, portanto, sofre uma variação de temperatura ΔT = 60  ° C , sua variação de comprimento é:

Assim, o trilho aumenta 21,6  mm , seu comprimento no verão é 30,021 6  m .

Tensor de expansão térmica

Materiais cristalinos não cúbicos exibem expansão térmica anisotrópica  : o mesmo coeficiente de expansão α não é observado em todas as direções. Por esta razão, usa-se um tensor simétrico de ordem 2 para descrever a expansão em materiais anisotrópicos:

Assim, no caso geral de um material triclínico , seis coeficientes de expansão térmica são necessários. Esses coeficientes relativos a uma marca de referência ortogonal, os coeficientes de expansão não têm necessariamente uma relação direta com os eixos cristalográficos do material. De fato, os valores próprios e vectores próprios de um tensor de ordem 2 sempre formulário (no caso em que os valores próprios são positivas) um elipsóide de revolução, cujos eixos são perpendiculares entre si: dizemos que um tensor de ordem 2 tem sempre em pelo menos a simetria máxima do ponto ortorrômbico 2 / m 2 / m 2 / m .

Para uma ortorrbica cristalina , por exemplo, onde α 12 = α 13 = α 23 = 0, o tensor de expansão é diagonal e α 11 , a- 22 e α 33 descrevem a expansão ao longo das três direcções cristalográficas de um , b e c do material. Contra, no sistema monoclínico , α 13 é diferente de zero: enquanto α 22 representa a expansão térmica ao longo de b , a relação entre α 11 , α 33 , α 13 e o parâmetro de malha tem , c , β n 'não é assim trivial. Por convenção, o sistema de coordenadas ortogonais ( e 1 , e 2 , e 3 ) escolhido para descrever a expansão térmica em materiais monoclínicos é tal que e 2 é paralelo ao vetor b , eixo de simetria do cristal, e 3 é paralelo a c e e 1 é paralelo ao vetor da rede recíproca a * , que por definição forma um triedro direto com b e c  : α 33 representa a expansão térmica ao longo de c , enquanto α 11 representa a expansão ao longo do vetor recíproco a * que é diferente de a .

No caso triclínico geral, é possível calcular os coeficientes do tensor de expansão térmica a partir das variações de temperatura dos parâmetros da malha. No sistema de coordenadas ortogonais convencional ( e 1 , e 2 , e 3 ), definido por e 3 paralelo a c , e 2 paralelo a b * e e 1 sendo o produto vetorial de e 2 e e 3 , obtemos:

onde , , , , , são parâmetros de rede de cristal na rede directa e é o ângulo entre os vectores de um * e b * da rede recíproca.

Os autovalores do tensor de expansão térmica, ou coeficientes lineares principais de expansão , e , também possibilitam a obtenção do coeficiente de expansão voluminal visto acima, traço do tensor :, já que o traço de uma matriz quadrada é invariante pela mudança de base . Para materiais isotrópicos, encontramos o resultado .

Medição de coeficientes de expansão linear

Um método estabelecido para medir os coeficientes de expansão térmica é o da dilatometria .

No caso de materiais cristalinos, a expansão térmica pode ser medida com precisão por difração de raios-X . Um método comumente usado é medir os parâmetros da rede cristalina para diferentes temperaturas e derivar coeficientes de expansão linear deles. No entanto, o cálculo intermediário dos parâmetros de rede introduz erros adicionais no cálculo dos coeficientes e é preferível obtê-los a partir da variação de temperatura do ângulo de difração θ. Vários programas fornecem os componentes do tensor de dilatação a partir das variações de θ.

Coeficientes de expansão linear para os materiais principais

Os coeficientes dadas abaixo são ordens de grandeza válido para temperaturas entre cerca de ° C e 100  ° C . Na realidade, esses coeficientes dependem da temperatura, a lei do alongamento, portanto, não é linear para diferenças de temperatura muito altas. Para fins de ilustração, são fornecidos abaixo:

substâncias coeficiente de
expansão linear
K −1
aço 12,0 × 10 −6
aço inoxidável 14 × 10 −6 +/- 4 dependendo da família
alumínio 23 × 10 −6
concreto 12 × 10 −6
bronze 17,5 × 10 −6
Constantan 15,2 × 10 −6
cobre 17 × 10 −6
diamante 1 × 10 −6 [1]
Derretendo 10,5 × 10 −6
invar (36% Ni + 64% Fe) 1,2 × 10 -6
titânio 8,6 × 10 −6
latão 18,5 × 10 −6
níquel prata 18,0 × 10 −6
substâncias coeficiente de
expansão linear
K −1
nylon 30 × 10 −6
polipropileno 150 × 10 −6
porcelana 4,0 × 10 −6
quartzo 0,5 × 10 -6
Rilsan 150 × 10 −6
esteatite 8 × 10 −6
vidro soda-cal (vidro comum) 9 × 10 −6 [2]
vidro de borossilicato ( Pyrex ) 4 × 10 −6
Zerodur 0,05 × 10 −6

Coeficientes de expansão linear dos elementos a 25  ° C (10 −6  K −1 ):

H ei
Li
46
Be
11,3
  B VS NÃO O F Nascer
Na
71
Mg
24,8
Al
23.1
Si
2,49
P S Cl Ar
K
83,3
Ca
22,3
  Sc
10.2
Ti
8.6
V
8.4
Cr
4,9
Mn
21,7
Fe
11,8
Co
13
Ni
13,4
Cu
16,5
Zn
30,2
Ga
18
Ge
6.1
Ás Se Br Kr
Rb Sr
22,5
  Y
10,6
Zr
5.7
Nb
7.3
MB
4.8
Tc Ru
6.4
Rh
8.2
Pd
11,8
Ag
18.9
Cd
30,8
Em
32,1
Sn
22
Sb
11
Você eu Xe
Cs
97
Ba
20.6
*
Leia
9,9
Hf
5,9
Seu
6,3
W
4.5
Re
6.2
Bone
5.1
Ir
6.4
Pt
8.8
Aos
14,2
Hg
60,4
Tl
29,9
Pb
28.9
Bi
13,4
Po
23,5
No Rn
Fr Ra **
Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
   
  *
Os
12,1
Este
6,3
Pr
6.7
Nd
9,6
Pm
11
Sm
12,7
Tenho
35
Gd
9,4
Tb
10.3
Dy
9,9
Ho
11,2
Er
12.2
Tm
13,3
Yb
26.3
  **
Ac th
11
Pa U
13,9
Np Pu
46,7
Sou Cm Bk Cf É Fm Md Não

Anomalias

O caso mais conhecido de anomalia dilatométrica é o da água , que apresenta um comportamento particular na sua fase líquida entre ° C e + ° C  : quando a temperatura aumenta neste intervalo, a água se contrai, o seu volume mássico diminui, o que corresponde a um coeficiente de expansão térmica negativo. Este fenômeno é comumente referido como “paradoxo da água”.

No entanto, outros materiais têm um coeficiente de expansão térmica negativo:

Assim, várias causas podem estar na origem de um coeficiente de expansão térmica negativo. Uma aplicação potencial de materiais de expansão térmica negativa em engenharia é o desenvolvimento de materiais compostos, misturas de materiais com coeficientes α positivos e negativos, que teriam expansão térmica total zero.

Problemas devido à dilatação

A expansão de sólidos é compensada em certas estruturas por juntas de expansão . Por exemplo, no caso de pontes , "ranhuras" chamadas juntas de pavimento (ou simplesmente por uso da linguagem simplesmente juntas de dilatação) permitem compensar os efeitos devidos às diferenças de exposição ao sol e ao aquecimento da atmosfera , que podem . estender um sólido várias dezenas de metros por alguns centímetros. Sem o espaço deixado por essas juntas de expansão, a ponte sofreria tensões internas adicionais.

Aplicações de dilatação

Notas e referências

  1. John Frederick Nye , Propriedades físicas dos cristais ["Propriedades físicas dos cristais"], Paris, Dunod,1961[ detalhe da edição ]
  2. (em) P. Paufler e T. Weber, Sobre a determinação dos coeficientes de expansão térmica de cristais triclínicos lineares usando difração de raios X  " , Eur. J. Mineral. , vol.  11, n o  4,1991, p.  721-730
  3. (em) SM Jessen e H. Küppers, "  The Precision of Thermal Expansion-Tensors of Triclinic and Monoclinic Crystals  " , J. Appl. Cryst. , vol.  24, n o  3,1991, p.  239-242 ( DOI  10.1107 / S0021889891000778 )
  4. [PDF] recherche-technologie.wallonie.be
  5. (em) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics , Boca Raton, CRC Press,2009, 90 th  ed. , 2804  p. , Capa dura ( ISBN  978-1-4200-9084-0 )
  6. (em) LD Noailles, H.-H. Peng, J. Starkovich e B. Dunn, "  Thermal Expansion and Phase Formation of ZrW 2 O 8Aerogels  ” , Chem. Mater. , vol.  16, n o  7,2004, p.  1252–1259 ( DOI  10.1021 / cm034791q )
  7. (em) GJ Redhammer Sr. Merz G. Tippelt, K. Sparta, G. Roth, W. Treutmann, W. e G. Lottermoser Amthauer, "  Refinamento da estrutura cristalina dependente da temperatura e espectroscopia 57 Fe Mössbauer de Cu 2 Fe 2 Ge 4 O 13 » , Acta Cryst. B , vol.  63, n o  1,2007, p.  4-16 ( DOI  10.1107 / S0108768106051652 )
  8. (em) K. Sparta, GJ Redhammer, P. Roussel, G. Heger, G. Roth, P. Lemmens A. Ionescu, Sr. Grove, G. Güntherodt F. Hüning H. Lueken, H. Kageyama, K. Onizuka e Y. Ueda, "  Transição de fase estrutural no composto de dímero de spin 2D SrCu 2 (BO 3 ) 2 » , Eur. Phys. J. B , vol.  19, n o  4,2001, p.  507-516 ( DOI  10.1007 / s100510170296 )
  9. (em) Mr Zema , SC Tarantino e AM Callegari , "  Comportamento térmico da libetenita desde a temperatura ambiente até a desidratação  " , Mineralogical Magazine , vol.  74, n o  3,2010, p.  553-565 ( DOI  10.1180 / minmag.2010.074.3.553 )

Veja também

Personalidades que trabalharam na dilatação

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