4.3.1 Dilatation thermique de matières solides

Toutes les matières, qu’elles soient solides, liquides ou gazeuses, se dilatent à la chaleur (apport d’énergie). Cependant, le niveau de dilatation est différent. Cette dilatation thermique est associée à des forces puissantes. Les ponts, par exemple, doivent reposer sur des appuis glissants et posséder des joints de dilatation pour qu’ils ne se fendent pas en hiver et ne détruisent pas leurs contreforts en été.

Comparons d’abord la force et la différence de dilatation d’une barre en acier d’un m de long et d’une barre en cuivre de la même longueur :

Dilatation thermique de l’acier et du cuivre

Nous remarquons que des matières différentes se dilatent différemment et ceci selon le coefficient de dilatation linéaire a

Le coefficient de dilatation linéaire est l’augmentation de l’unité de longueur d’un corps pour une augmentation de température d’1K . Ce nombre change quelque peu avec l’augmentation de température, dans la pratique, on calcule donc avec des moyennes fixes.

Un radiateur en acier de 5 m de long se dilate d’environ 0.6 mm par mètre pour un réchauffement de 50 K, c’est-à-dire approximativement 3 mm (Fig 4-5). C’est une quantité déjà considérable. Le radiateur se dilate ainsi chaque matin en hiver quand le système de chauffage passe d’un fonctionnement réduit de nuit à un rendement complet, devenant alors 50 K plus chaud en quelques minutes. Si le radiateur est fixé en place de façon à ce qu’il ne puisse pas bouger librement, alors le fameux bruit de craquements se fait entendre quand le radiateur « insiste » pour se dilater. Dans des installations mal réglées, où la température du radiateur oscille continuellement, ce cognement peut s’entendre toute la journée.

Fig. 4-5 Dilatation thermique d’un radiateur en acier

La dilatation thermique des matériaux ne présente pas que des difficultés pour l’ingénieur, elle peut aussi être utilisée techniquement :

Dans un élément bimétallique, deux métaux de dilatation linéaire différente sont soudés ensemble (fig. 4-6). Si ce « métal sandwich » (1) s’échauffe, il plie inévitablement car un côté se dilate plus que l’autre. Plus l’élément bimétallique est long et plus la température est élevée, plus il se plie. Si le bilame est formé en cercle ou en spirale, est muni d’une aiguille et est correctement étalonné, il devient un thermomètre bimétallique, (2). S’il est équipé d’un contact, cela devient un interrupteur thermique, c’est-à-dire un interrupteur dépendant de la température.

fig. 4-6 Applications bimétalliques

1 Fonctionnement du bilame métallique

2 Thermomètre bimétallique

3 Interrupteur bimétallique

4 Horloge de commutation bimétallique avec résistance de chauffage

De tels systèmes de commutation bimétalliques sont souvent utilisés dans des applications techniques : dans de simples appareils comme les commutateurs de sécurité contre la surchauffe (par ex., dans des enroulements de moteur ou pour la protection des moteurs), et dans des appareils de haute qualité avec point d’enclenchement réglable comme le thermostat. L’élément bimétallique sensible à la température est appelé sonde bimétallique.

Si on expose soudainement à une température de 50°C un élément bimétallique qui est par exemple complètement droit à 20°C, il s’incurve aussitôt. L’élément bimétallique cesse de se courber une fois que l’élément entier se trouve à une température uniforme de  50°C. Sous des conditions identiques, cela nécessite un temps égal. Ainsi l’élément bimétallique convient bien à la fabrication d’horloges de commutation (4) qui, selon l’application, retardent ou accélèrent l’enclenchement ou la coupure d’une opération. Pour accélérer la séquence de commutation, l’élément bimétallique est chauffé par une petite résistance électrique de chauffage.

Les régulateurs de température munis de la sonde à bilame sont apparentés à des régulateurs avec sonde à tige de dilatation. Le tube et la tige utilisés se constituent aussi de deux métaux ayant des coefficients de dilatation différents. A la chaleur, la différence de longueur permet d’activer le système d’enclenchement.

On utilise de préférence les thermostats à tige (aussi appelés à plongeur) pour la régulation de la température de liquides ou de gaz dans des radiateurs à accumulation, chaudières, canalisations, conduits d’air, etc. Alors que la sonde peut baigner dans le fluide pour qu’elle prenne rapidement la température du fluide, le dispositif d’enclenchement reste en dehors du récipient. Là, il est facilement accessible et protégé contre toute surchauffe.