Physique · 1ère AnnéeThème 2 : La matière · Chapitre 2

Quelques propriétés de la matière

Objectifs

À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• montrer que les solides, les liquides et les gaz se dilatent quand on les chauffe et se contractent quand on les refroidit ;
• comparer la dilatation des trois états et citer des applications (joints de dilatation, bilame) ;
• expliquer le fonctionnement d'un thermomètre et l'échelle Celsius ;
• décrire l'anomalie de la dilatation de l'eau ;
• distinguer les bons et les mauvais conducteurs de la chaleur.
Prérequis : notion de température, volume, états physiques de la matière.

Situation de départ

Sur les anciennes voies ferrées, on laissait un petit espace entre deux rails. Sur les grands ponts, la chaussée est coupée par des fentes recouvertes de plaques métalliques.
Pourquoi ces espaces ? Et pourquoi le manche d'une casserole est-il en bois ou en plastique, alors que la casserole est en métal ?

I. La dilatation des solides

1. L'anneau de 's Gravesande

À la température ambiante, une boule métallique passe tout juste à travers un anneau. Chauffons la boule avec un bec Bunsen : elle ne passe plus. Laissons-la refroidir : elle passe de nouveau.
En s'échauffant, le volume de la boule a augmenté : on dit que le solide se dilate. En se refroidissant, son volume diminue : il se contracte.

Animation

2. La dilatation dépend de la matière

Trois tiges de même longueur, en fer, en cuivre et en aluminium, sont fixées au même socle et chauffées de la même façon. La tige d'aluminium s'allonge le plus, puis celle de cuivre, puis celle de fer. Plus on chauffe, plus les tiges s'allongent.

Fig. 1 — Allongement de tiges de 1 m dont la température augmente de 100 °C : il dépend de la matière.

À retenir

La dilatation d'un solide dépend de sa nature, de ses dimensions et de la variation de sa température. Elle est très petite : quelques millimètres pour une barre de 1 m chauffée de 100 °C.

Exemple

Un mètre de rail en acier s'allonge d'environ 0,012 mm quand sa température augmente de 1 °C. Un rail de 30 m qui passe de 10 °C (nuit d'hiver) à 50 °C (été, en plein soleil) s'allonge de :

30 × 0,012 × 40 ≈ 14 mm

C'est pourquoi on laissait un espace de plus d'un centimètre entre deux rails.

3. Des applications

• Joints de dilatation : fentes sur les ponts, espaces entre les rails, entre les dalles de béton. Aujourd'hui, les rails sont soudés en grandes longueurs et solidement attachés aux traverses : c'est le ballast qui supporte les efforts.
• Le bilame : deux lames de métaux différents (laiton et fer par exemple), soudées l'une contre l'autre. Chauffé, le laiton s'allonge plus que le fer : le bilame se courbe du côté du fer. Il sert à ouvrir ou fermer un contact électrique : thermostat du fer à repasser, lampes clignotantes d'une guirlande, disjoncteur.

Fig. 2 — À chaud, le bilame se courbe : le métal qui se dilate le plus est à l'extérieur de la courbure.

II. La dilatation des liquides

1. Mise en évidence

Remplissons d'eau colorée un ballon muni d'un bouchon et d'un tube fin, puis plongeons-le dans un bain d'eau chaude. Le niveau du liquide dans le tube descend légèrement, puis monte nettement. Sorti du bain, le ballon refroidit et le niveau redescend.
Au début, seul le verre est chauffé : il se dilate, le ballon devient un peu plus grand et le niveau baisse. Ensuite le liquide chauffe et se dilate, beaucoup plus que le verre.

Animation

À retenir

Un liquide se dilate quand sa température augmente et se contracte quand elle diminue. À volume égal et pour la même élévation de température, un liquide se dilate plus qu'un solide.

2. Application : le thermomètre

Le toucher ne permet pas de comparer des températures avec précision. Le thermomètre à liquide utilise la dilatation d'un liquide (mercure ou alcool coloré) contenu dans un petit réservoir de verre mince, surmonté d'un tube très fin, le tube capillaire. Une petite dilatation du liquide le fait monter de façon bien visible dans ce tube fin.
L'échelle Celsius utilise deux repères fixes, sous la pression atmosphérique normale : 0 °C pour la glace qui fond et 100 °C pour l'eau qui bout. L'intervalle entre ces deux repères est partagé en 100 parties égales : chacune correspond à un degré Celsius (°C).

Fig. 3 — Le thermomètre et les deux repères de l'échelle Celsius.

Bien mesurer une température

• Agiter le liquide pour que sa température soit la même partout ;
• plonger le réservoir dans le liquide sans toucher les parois ni le fond du récipient ;
• attendre que le niveau se stabilise et lire l'oeil à la hauteur du sommet de la colonne.

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