Boucler les métaux avec la chaleur

Un projet scientifique colérique de Science Buddies

Concepts clésPhysiqueTempératureDilation thermiqueMétaux

Introduction Aimez-vous emballer des cadeaux pour les gens ? Peut-être avez-vous même enroulé un ruban avec des ciseaux (ou regardé quelqu'un d'autre le faire). Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi le ruban s'enroule lorsque vous passez une lame de ciseaux sur un côté ? La réponse est que lorsque vous appliquez une pression sur le ruban avec la lame des ciseaux, la couche externe du ruban s'étire et se dilate. Cela rend la couche extérieure du ruban plus longue que la couche intérieure pressée contre la lame. En conséquence, le ruban s'enroule pour compenser les différentes longueurs de chacune de ses couches. Dans cette activité, vous ferez également courber les matériaux. Mais pour ces matériaux, vous n’aurez pas besoin de ciseaux : vous utiliserez plutôt la chaleur !

Arrière-plan Vous savez ou avez probablement vu que les matériaux sont capables de changer de forme ou de volume lorsqu'ils sont chauffés ou refroidis. Cela est vrai pour les solides, les liquides et les gaz, qui sont tous constitués d'atomes et de molécules. Une fois exposées à la chaleur, ces molécules commencent à vibrer et à se déplacer plus rapidement. Cela fait que les molécules se dispersent et occupent plus de place. En conséquence, un matériau se dilate légèrement lorsqu’il devient chaud. En revanche, lorsqu’un matériau est froid, les molécules bougent moins, ce qui leur fait prendre moins de place. Ainsi, les matériaux rétrécissent lorsqu’ils refroidissent. Bien que tous les matériaux se dilatent lorsqu’ils sont chauffés, ils ne se dilatent pas tous au même degré. Le degré de dilatation d'un matériau lorsqu'il est chauffé est décrit par son coefficient de dilatation thermique. Par exemple, l’aluminium se dilate de 21 à 24 micromètres par mètre si on augmente sa température de 1 degré Celsius.

Que se passe-t-il lorsqu’un objet est composé de plusieurs matériaux ? Ils se dilateront tous deux différemment lorsqu’ils seront chauffés ! En fait, il existe des matériaux spéciaux appelés bimétalliques qui exploitent leurs différentes propriétés de dilatation thermique. Un bimétallique est un objet constitué de deux couches distinctes de métaux différents prises en sandwich. Lorsqu'un bilame est chauffé, l'un des métaux se dilate plus que l'autre. Cela entraîne une courbure (ou un curling) du bimétallique dans une direction, tout comme le ruban de l'emballage cadeau. En raison de cet effet, les bimétalliques sont souvent utilisés pour indiquer les changements de température, comme dans les thermomètres à cadran (comme ceux utilisés dans les fours ou les réfrigérateurs). À l’intérieur de ces thermomètres, une bobine bimétallique est attachée à un pointeur. Lorsque la température change, le pointeur se déplace en fonction du degré de déformation de la bobine bimétallique.

Dans cette activité, vous verrez par vous-même comment différentes propriétés de dilatation thermique peuvent faire courber un objet. Prêt à faire monter la température ?

Matériaux

Préparation

Procédure

Observations et résultats Avez-vous vu une de vos bandes s'enrouler au-dessus de la flamme de la bougie ? Tu aurais dû! La bande entièrement en aluminium et la bande entièrement en papier n'auraient pas dû changer lorsque vous les avez tenues au-dessus de la flamme. En effet, les deux couches de la bande sont constituées du même matériau. Si la bande devient chaude, ce que vous auriez dû remarquer en la touchant, les deux couches se dilatent de la même manière. Cependant, si la bande est composée de deux matériaux différents, comme celui que vous avez fabriqué à partir de papier et d'aluminium, quelque chose de différent se produira.

En tenant la bande de papier/aluminium au-dessus de la flamme, vous avez probablement remarqué qu'elle commençait immédiatement à se plier ou à s'enrouler dans une direction. Il s'enroule vers le haut lorsque la couche d'aluminium fait face à la bougie et vers le bas lorsque la couche d'aluminium fait face au plafond. En effet, l'aluminium et la couche de papier chauffent au-dessus de la flamme. L'aluminium se dilate plus que le papier en raison de son coefficient de dilatation thermique plus élevé. Parce que le papier et l'aluminium sont collés ensemble, l'aluminium s'éloigne de la bande de papier pour compenser les différentes longueurs de chacune de ses couches, comme le ruban d'emballage cadeau frisé ! Vous verrez des résultats similaires avec d’autres bandes composées de deux matériaux différents ayant des coefficients de dilatation thermique différents.