Thermal expansion and specific heat capacity · Dilatation thermique et chaleur spécifique
| English | Français |
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| specific heat capacity/spəˈsɪfɪk hiːt kəˈpæsɪti/ | capacité thermique massique |
| thermal expansion/ˈθɜːml ekˈspænʃn/ | expansion thermique |
| internal energy/ɪnˈtɜːnl ˈenədʒi/ | énergie interne |
Why bridges have gaps
- Railway lines have small gaps; bridges sit on rollers; power cables hang loose in summer.
- All for the same reason: things get bigger when they are heated.
- Heating also stores energy inside matter — measured by its specific heat capacity 比热容.
Pourquoi les ponts ont des joints
- Les voies ferrées ont de petits joints ; les ponts reposent sur des galets ; les câbles électriques pendent lâchement en été.
- Tout cela pour la même raison : les choses deviennent plus grandes quand elles sont chauffées.
- Le chauffage stocke aussi de l'énergie à l'intérieur de la matière — mesuré par sa capacité thermique massique 比热容.
Thermal expansion 热膨胀
- Heat a material and its particles move more, so they take up more space — it expands.
- Gases expand the most, then liquids, then solids (whose particles are held tightly).
- Engineers leave gaps in rails and put bridges on rollers so the expansion does not buckle them.
- A tight metal jar lid loosens when you run it under hot water — the metal expands.
Thermal expansion: heating makes the rail longer, closing the gap left for it.
Worked example. A steel bridge is $50\ \text{m}$ long at $10\ {}^{\circ}\text{C}$. Steel expands about $0.012\ \text{mm}$ per metre per ${}^{\circ}\text{C}$. If the temperature rises to $40\ {}^{\circ}\text{C}$ (a $30\ {}^{\circ}\text{C}$ rise): expansion $= 50 \times 0.012 \times 30 = 18\ \text{mm}$. That's why bridges have expansion joints!
The particles don't get bigger. When a solid expands, the particles themselves stay the same size — they just vibrate more and push further apart. This is a common exam misconception.
Dilatation thermique 热膨胀
- Chauffer un matériau fait bouger davantage ses particules, occupant ainsi plus d'espace — il se dilate.
- Les gazes se dilatent le plus, puis les liquides, puis les solides (dont les particules sont tenues fermement).
- Les ingénieurs laissent des joints dans les rails et posent les ponts sur des galets pour éviter qu'ils ne se déforment à cause de la dilatation.
- Un bouchon métallique trop serré se desserre si on le passe sous l'eau chaude — le métal se dilate.
Dilatation thermique : chauffer allonge le rail, fermant le joint laissé pour lui.
Exemple résolu. Un pont en acier a $50\ \text{m}$ de long à $10\ {}^{\circ}\text{C}$. L'acier se dilate d'environ $0.012\ \text{mm}$ par mètre par ${}^{\circ}\text{C}$. Si la température monte à $40\ {}^{\circ}\text{C}$ (une hausse de $30\ {}^{\circ}\text{C}$) : dilatation $= 50 \times 0.012 \times 30 = 18\ \text{mm}$. C'est pourquoi les ponts ont des joints de dilatation !
Les particules ne grossissent pas. Quand un solide se dilate, les particules elles-mêmes gardent la même taille — elles vibrent simplement davantage et s'éloignent davantage les unes des autres. C'est une erreur fréquente aux examens.
Heating and specific heat capacity · Réchauffement et chaleur spécifique
Q = mcΔT
The heat energy needed is proportional to the temperature rise for a given mass of material. · L'énergie thermique nécessaire est proportionnelle à l'élévation de température pour une masse donnée de matériau.
For the same rise in temperature, which expands the most? · Pour la même élévation de température, lequel s'étend le plus ?
Gases expand the most, then liquids, then solids (whose particles are held most tightly). · Les gaz s'étendent le plus, puis les liquides, puis les solides (dont les particules sont maintenues le plus fermement).
Why are small gaps left between railway lines? · Pourquoi laisse-t-on de petits espaces entre les rails ?
On a hot day the rails expand. The gaps give the extra length somewhere to go, so the track does not bend out of shape. · Les jours chauds, les rails se dilatent. Les espaces offrent l'espace supplémentaire nécessaire, donc la voie ne se déforme pas.
Internal energy 内能
- The internal energy of an object is the total energy of all its particles (their movement and arrangement).
- Heating an object raises its internal energy — usually raising its temperature too.
The same hand in ordinary light and through a thermal (infrared) camera
Énergie interne 内能
- L'énergie interne d'un objet est l'énergie totale de toutes ses particules (leur mouvement et leur arrangement).
- Chauffer un objet augmente son énergie interne — généralement en relevant aussi sa température.
La même main en lumière ordinaire et à travers une caméra thermique (infrarouge)
Specific heat capacity
- The specific heat capacity $c$ is the energy needed to raise the temperature of $1\ \text{kg}$ of a material by $1\ {}^{\circ}\text{C}$:
- So the energy to warm something is $\Delta E = m c\,\Delta\theta$.
- Water has a very high $c$ ($\approx 4200$ joules per kg per °C): it needs a lot of energy to warm up and cools down slowly. That is why the sea stays mild and water is used in heating systems.
A digital thermometer measures temperature
Chaleur spécifique
- La capacité thermique massique $c$ est l'énergie nécessaire pour élever la température de $1\ \text{kg}$ d'un matériau de $1\ {}^{\circ}\text{C}$ :
- Donc l'énergie pour réchauffer quelque chose est $\Delta E = m c\,\Delta\theta$.
- L'eau a une très haute $c$ ($\approx 4200$ joules par kg par °C) : elle a besoin de beaucoup d'énergie pour se réchauffer et refroidit lentement. C'est pourquoi la mer reste douce et l'eau est utilisée dans les systèmes de chauffage.
Un thermomètre numérique mesure la température
How much energy is needed to heat $2.0\ \text{kg}$ of water by $10\ {}^{\circ}\text{C}$? (Use $c = 4200$ J per kg per °C.) · Quelle énergie est nécessaire pour chauffer $2.0\ \text{kg}$ d'eau de $10\ {}^{\circ}\text{C}$ ? (Utilisez $c = 4200$ J par kg par °C.)
$\Delta E = mc\,\Delta\theta = 2.0 \times 4200 \times 10 = 84\,000\ \text{J}$.
Adding $8400\ \text{J}$ raises the temperature of $0.50\ \text{kg}$ of a metal by $40\ {}^{\circ}\text{C}$. What is its specific heat capacity, in J per kg per °C? · Ajouter $8400\ \text{J}$ fait monter la température de $0.50\ \text{kg}$ d'un métal de $40\ {}^{\circ}\text{C}$. Quelle est sa chaleur spécifique, en J par kg par °C ?
$c = \dfrac{\Delta E}{m\,\Delta\theta} = \dfrac{8400}{0.50 \times 40} = \dfrac{8400}{20} = 420$ J per kg per °C. · $c = \dfrac{\Delta E}{m\,\Delta\theta} = \dfrac{8400}{0.50 \times 40} = \dfrac{8400}{20} = 420$ J par kg par °C.
Because water has a high specific heat capacity, it warms up and cools down slowly. · Parce que l'eau a une chaleur spécifique élevée, elle chauffe et refroidit lentement.
A high specific heat capacity means a lot of energy is needed per degree, so water changes temperature slowly. · Une chaleur spécifique élevée signifie qu'il faut beaucoup d'énergie par degré, donc l'eau change de température lentement.
You've got it
- heating makes matter expand — gases most, solids least; leave gaps for it
- internal energy = total energy of all the particles
- specific heat capacity $c = \dfrac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$, so $\Delta E = mc\,\Delta\theta$
- water has a high $c$ → warms and cools slowly
Vous avez compris
- chauffer fait dilater la matière — les gaz le plus, les solides le moins ; laisser des joints
- énergie interne = énergie totale de toutes les particules
- capacité thermique massique $c = \dfrac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$, donc $\Delta E = mc\,\Delta\theta$
- l'eau a une $c$ élevée → se réchauffe et refroidit lentement