De nombreux matériaux, en particulier les métaux, se dilatent physiquement lorsqu’ils sont chauffés, en raison de l’augmentation de l’énergie cinétique des atomes. Cette expansion se déplace vers l’extérieur dans les trois dimensions, mais pas nécessairement au même degré. Le coefficient de dilatation linéaire est la valeur qui corrèle la différence de longueur d’un objet à la différence de température de l’objet lorsque les deux mesures de longueur ont été prises. Une valeur plus élevée signifie que le matériau se dilate davantage sur une élévation de température définie qu’un matériau avec un coefficient inférieur.
À proprement parler, le coefficient de dilatation linéaire est également fonction de la température, mais pour la plupart des matériaux, il peut être considéré comme une constante pour la plage de 32° à 212°F (0° à 100°C). Les liquides se dilatent également, et l’équivalent tridimensionnel, le coefficient de dilatation cubique à une température donnée, est utilisé dans les calculs des changements de volume. Les gaz se dilatent pour remplir n’importe quel récipient dans lequel ils sont placés. Comme leur volume est fixe, la pression des gaz augmente à mesure que la température augmente.
Des tableaux de ces valeurs sont disponibles dans les manuels techniques. Les valeurs sont données en unités de 10,000 10a’ ou en 6-10 m/m K ou en 6-XNUMXin/in °F. Le symbole a’ est utilisé dans le système de mesure américain standard. L’évaluation d’un exemple aidera à rendre ces unités claires.
Cette valeur est exprimée en unités de longueur. Le coefficient de dilatation linéaire du fil de laiton est de 18.7 x 10-6 m/m K et de 10.4 x 10-6 in/in °F. Le calcul de la dilatation de la longueur d’un fil de laiton de 10 pieds (3.048 m) de long à 70°F (21.1°C) et chauffé à 80°F (26.6°C) est :
10 pieds correspondent à 120 pouces. Le fil de laiton se dilatera de 10.4 x 10-6 pouces par pouce de longueur initiale par degré Fahrenheit d’élévation de température. 120 + (10.4 x 10-6) x 120 x 10 = 120.0125 pouces.
En unités métriques, le calcul est de 3.048 m + (18.7 x 10-6) x 3.048 x 10 × 5/9 = 3.048316 m, ce qui équivaut à 120.0124 pouces. Le 5/9 dans l’équation convertit un degré Fahrenheit en degré Celsius.
Cette différence de longueur peut sembler insignifiante, mais lors de la conception d’éléments tels que des câbles d’alimentation longs de centaines de miles ou de kilomètres et qui subiront des différences de température de 150° ou plus, cependant, la dilatation thermique doit être prise en compte. Les pièces avec des tolérances très serrées, comme dans les dispositifs optiques, doivent également être protégées des variations de température ou s’adapter à la dilatation non uniforme des pièces fabriquées à partir de matériaux différents.